Бактерії і біологічний годинник

Постійна зміна дня і ночі – характерна риса земного буття. Добовий ритм чергування світла і темряви впливає на фізіологію і поведінку всього живого на землі. Більшість живих істот, у тому числі і людина, мають молекулярні «хронометри», синхронізовані зі світловим днем. Свій добовий молекулярний годинник є у бактерії і квітки, по цьому годиннику відбувається обмін речовин в будь-якій клітині людського організму. І найдивніше, що механізм роботи такого годинника у всіх живих організмах практично однаковий.

Біологічний годинник бактерій

Вчений, професор Джефф Макфадден з Мельбурнського університету запевняє, що всі бактерії мають власний біологічний годинник, хід якого впливає на організм. Дослідники з Чикаго також солідарні зі своїм австралійським колегою. Їх спільні дослідження допомогли зробити дуже важливе відкриття: з враховуючибіологічний годинник бактерій, стане простіше лікувати багато хвороб. Використовуючи потрібний час «неспання» бактерій, можна зробити більш ефективним застосування антибіотиків.

Науковий експеримент, проведений в лабораторії, допоміг вченим зрозуміти схему маніпуляції мікробами. Доктор Майкл Раст в експериментах використовував ціанобактерії – найбільш ранню форму життя. «Стан ціанобактерій безпосередньо залежить від сонячних променів, оскільки способом харчування цих бактерій є фотосинтез. А раз так, то вночі ціанобактерії голодують, а вдень – впевнено зростають», пояснює Раст. В умовах експерименту бактерії харчуються не променями сонця, а звичайним цукром. Завдяки певному режиму харчування вчені змогли змінити спосіб життя ціанобактерій і синхронізувати їх внутрішній годинник з різними метаболізмами. «Виходячи з цього, в майбутньому культури бактерій можна впроваджувати в мікроби-цілі: для транспортування ліків або очищення в чітко зазначений час», зазначає Раст.

Чи можна пересадити біологічний годинник?

Памелі Сільвер і її колегам з Інституту Уайс при Гарвардському університеті прийшла в голову думка пересадити біологічний годинник з однієї бактерії в іншу – тобто з ціанобактерії в кишкову паличку. Як відомо, у ціанобактерій молекулярною «пружиною» добового ритму служать три білка під назвою KaiA, KaiB, і KaiC: протягом дня KaiA фосфорує KaiC, а вночі KaiB виконує зворотну реакцію, тобто знімає з KaiC залишки фосфорної кислоти. Сам KaiC може впливати на активність інших генів (в тому числі і свого власного), стимулюючи транскрипцію, тобто синтез РНК на них, але робити він це може в залежності від того, в якому він вигляді знаходиться, в денному фосфорильованому або в нічному нефосфорильованому.

Дослідникам потрібно було лише пересадити три гена від ціанобактерії Synechococcus elongatus до кишкової палички Escherichia coli. Фосфорильований KaiC взаємодіє з іншим білком, SasA, і дослідники внесли в геном кишкової палички ще й ген білка, що світиться, який включався комплексом KaiC-SasA. Наступав день, KaiC отримував фосфатну групу, зв’язувався з SasA, і обидва вони разом активували синтез РНК на гені флуоресцентного білка. На його РНК синтезивався сам білок, і клітина починала світитися! Іншими словами, кишкову паличку, у якій ніякого добового годиннику зроду не було, забезпечили циркадними «ходиками». Правда, через три дні годинник ламався. За словами авторів, у самих ціанобактерій є додаткові механізми, що забезпечують синхронізацію ядра молекулярної «пружини» з часом доби, а у звичайних же бактерій такої«поправки ходу» немає (хоча ніщо не заважає і такі гени теж пересадити в кишкову паличку).

Мета роботи була, зрозуміло, не тільки в тому, щоб отримати бактерію, що світиться за розкладом. Такі клітини, які до того ж вміли б ще синтезувати ліки, могли б послужити хорошими дозаторами, звільняючи потрібну речовину в потрібний момент часу (у хвороб теж є свої циклічні ритми).

Бактерії здатні зупиняти наш біологічний годинник

Вчені з Трініті-коледжу (Дублін, Ірландія) та Пенсильванського університету (США) провели дослідження, яке розкрило нові механізми зв’язку між імунною системою і добовими ритмами. Виявилося, що бактерії здатні зупинити роботу біологічного годинника в важливих клітинах імунної системи – макрофагах.

Зв’язок роботи імунної системи з часом доби добре відомий. У вечірній і нічний час її активність набагато вище, а в першій половині дня помітно слабшає. Людський мозок здатний регулювати добову активність в залежності від рівня освітленості. Крім того, у багатьох клітинах нашого організму існують особливі молекули, які, взаємодіючи одна з одною, виконують роль автономного біологічного годинника. Однією з таких молекул є транскрипційний фактор BMAL1. Він здатний пригнічувати активність імунної системи, і, оскільки його кількість в клітинах ввечері зменшується, імунна відповідь в цей час посилюється. Для чого існує такий механізм, точно не відомо.

В результаті дослідження, проведеного в Трініті-коледжі і Пенсільванському університеті, з’ясувалося, що макрофаги під час вірусної або бактеріальної інфекції здатні самостійно зменшувати кількість BMAL1 і таким чином залишатися активними незалежно від поточного часу доби. Для цього вони використовують ще один тип молекул – мікроРНК-155. МікроРНК здатні пригнічувати активність різних генів, виконуючи роль регуляторів практично всіх процесів, що відбуваються в клітині. Відкритий біологами механізм дозволяє імунній системі успішно протистояти гострим інфекціям.

Однак автори дослідження відзначають, що при деяких станах він може завдавати шкоди організму. У разі аутоімунних захворювань, таких, як ревматоїдний артрит, проблемою стає зайва активність імунної системи, спрямована на власні тканини організму. Ця активність пов’язана, зокрема, зі зниженою кількістю BMAL1. Автори роботи розраховують, що їхнє відкриття дозволить розробити методи боротьби з гіперактивацією імунної системи. Крім того, можна використовувати цей механізм для підвищення ефективності імунотерапії раку.