Сверим часы! Ученые воспроизвели температурную компенсацию циркадных часов в лаборатории

Циркадные ритмы — это естественные внутренние колебания, которые синхронизируют поведение и физиологические процессы организма с окружающей средой.

Эти ритмы обычно имеют период двадцать четыре часа и регулируются внутренними химическими часами, которые реагируют на сигналы извне, такие как свет.

Хотя циркадные ритмы хорошо изучены у животных, растений и бактерий, все они обладают одним загадочным свойством: период колебаний не зависит от температуры, хотя скорость большинства биохимических реакций изменяется экспоненциально в зависимости от температуры. Это явно указывает на наличие какого-то механизма температурной компенсации. Интересно, что некоторым ученым удалось воспроизвести такие температурно-инвариантные свойства в определенных колебательных химических реакциях. Однако эти реакции часто бывают хлопотными и требуют чрезвычайно точной настройки взаимодействующих химических веществ.

Но что, если бы существовал более простой способ добиться температурной компенсации в колебательных химических реакциях? В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Scientific Reports, группа ученых, включая доцента Юхэя Ямаду из Токийского технологического института (Tokyo Tech), Япония, предложила блестящую идею механизма температурной компенсации с помощью реакции, называемой осциллирующей реакцией Белоусова-Жаботинского (BZ).

Ключ к их подходу заключается в мягких, чувствительных к температуре гелях из поли (N-изопропилакриламида), или сокращенно PNIPAAm, в которых может происходить реакция BZ. Эти гели состоят из полимерных нитей, которые могут вмещать определенный объем растворителя. Однако поскольку при повышении температуры эти гели сжимаются, количество растворителя, содержащегося в геле, уменьшается.

Исследователи использовали это свойство гелей PNIPAAm, добавив рутениевые (Ru) участки на составляющие их полимеры. Периодический характер конкретной реакции BZ, которую изучали исследователи, частично зависит от окисления и восстановления ионов рутения (Ru) в обратном направлении. Таким образом, на скорость этой реакции влияет относительная концентрация растворителя и Ru. Поскольку гели PNIPAAm могут вместить меньше растворителя при сжатии, относительная концентрация Ru в гелях увеличивается с ростом температуры.

Как показала исследовательская группа с помощью экспериментальных измерений и тщательного математического анализа, вышеупомянутые эффекты объединяются в механизм температурной компенсации, который делает период реакции BZ не подверженным влиянию изменения температуры.

Приготовленные гели демонстрируют температурную компенсацию, подобно циркадным ритмам, наблюдаемым в живых организмах, — отмечает Ямада.

В целом, данное исследование демонстрирует совершенно новый способ достижения температурной компенсации в искусственных биологических часах, основанных на периодических реакциях. Интригующе, но возможно, что подобные механизмы температурной компенсации с использованием реагирующих на температуру мягких тел существуют в биологических системах в природе.

Наше исследование предполагает, что температурная компенсация может быть естественным образом самоподдерживающейся через выходную систему циркадного механизма. Это может объяснить, почему температурная компенсация является универсальным свойством циркадных ритмов, наблюдаемых у животных, растений и бактерий, независимо от молекулярных видов, заключил Ямада.

Будем надеяться, что дальнейшие исследования помогут нам прояснить тайны, стоящие за нашими внутренними часами!

24.01.2023