Ученые из Института молекулярных наук (IMS/SOKENDAI) и Университета Кюсю раскрыли, как работает внутренний хронометр у цианобактерий. Оказалось, ключевую роль играет белок KaiC — он действует как стрелка часов, которая ждет нужного момента, а затем резко переключается.

Результаты опубликованы в издании PNAS Nexus.

Циркадные ритмы есть почти у всех живых организмов — от бактерий до человека. Но только у цианобактерий эти часы удалось воссоздать в пробирке. Их система состоит из трех белков: KaiA, KaiB и KaiC. Если смешать их вместе, KaiC начинает ритмично присоединять и отщеплять фосфатные группы — цикл повторяется каждые 24 часа, как точный механизм. Но как именно происходит это присоединение? Другими словами, что заставляет «стрелку» двигаться?

Чтобы это выяснить, исследователи сосредоточились только на KaiC, убрав KaiA и KaiB. Оказалось, что даже в одиночку KaiC медленно связывает фосфат — значит, «тиканье» заложено в его структуре.

С помощью моделирования на атомном уровне ученые увидели, как фосфатная группа приближается к KaiC и соединяется с ним. Все решают крошечные сдвиги в положении аминокислот — глутамата и аргинина. Они работают как молекулярный «стоп-кран»: то блокируют реакцию, то пропускают ее в строго определенный момент.

Этот механизм — не исключение. У людей и других организмов фосфорилирование тоже регулирует внутренние часы. Понимание того, как белки управляют временем реакций, может помочь в лечении болезней, связанных с нарушением этих процессов. Пока что ученые разобрались только с присоединением фосфата — как он отщепляется, еще предстоит выяснить.

Фосфорилирование — процесс присоединения фосфатной группы (PO₄) к белку, что меняет его активность. Как ключ, который включает или выключает молекулярные «машины» в клетке.

Где это пригодится

• Медицина: У людей многие процессы (сон, гормональные циклы) зависят от фосфорилирования белков. Если научиться управлять этим механизмом, можно лечить бессонницу, депрессию или даже рак.
• Биотехнологии: Точные молекулярные «часы» можно встроить в синтетические клетки для контроля химических реакций.
• Эволюционная биология: Понимание простейшего циркадного механизма поможет реконструировать, как такие системы возникали у других организмов.

Исследование не объясняет, как KaiA и KaiB ускоряют процесс — без них KaiC работает слишком медленно. Возможно, в естественных условиях ключевую роль играет взаимодействие всех трех белков, а не только внутренний механизм KaiC.

Ранее ученые выяснили, что бактерии могут двигаться синхронно.