Бактерии и биологические часы

Постоянная смена дня и ночи — характерная черта земного бытия. Суточный ритм чередования света и темноты влияет на физиологию и поведение всего живого на земле. Большинство живых существ, в том числе и человек, имеют молекулярные «хронометры», синхронизированные со световым днём. Свои суточные молекулярные часы есть у бактерии и цветка, по этим часам совершается обмен веществ в любой клетке человеческого организма. И самое удивительное, что механизм работы таких часов во всех живых организмах практически одинаков.

Биологические часы бактерий

Ученый, профессор Джефф Макфадден из Мельбурнского университета уверяет, что все бактерии имеют собственные биологические часы, ход которых влияет на организм. Исследователи из Чикаго также солидарны со своим австралийским коллегой. Их совместные исследования помогли сделать очень важное открытие: учитывая биологические часы бактерий, станет проще лечить многие болезни. Используя нужное время «бодрствования» бактерий, можно сделать более эффективным применение антибиотиков.

Научный эксперимент, проведенный в лаборатории, помог ученым понять схему манипуляции микробами. Доктор Майкл Раст в экспериментах использовал цианобактерии – наиболее раннюю форму жизни. «Состояние цианобактерий напрямую зависит от солнечных лучей, поскольку способом питания этих бактерий является фотосинтез. А раз так, то ночью цианобактерии голодают, а днем — уверенно растут», поясняет Раст. В условиях эксперимента бактерии питались не лучами солнца, а обычным сахаром. Благодаря определенному режиму питания ученые смогли изменить образ жизни цианобактерий и синхронизировать их внутренние часы с различными метаболизмами. «Исходя из этого, в будущем культуры бактерий можно внедрять в микробы-цели: для транспортировки лекарств или очистки в четко обозначенное время», отмечает Раст.

Можно ли пересадить биологические часы?

Памеле Сильвер и её коллегам из Института Уайса при Гарвардском университете пришла в голову мысль пересадить биологические часы из одной бактерии в другую – то есть из цианобактерии в кишечную палочку. Как известно, у цианобактерий молекулярной «пружиной» суточного ритма служат три белка под названием KaiA, KaiB, и KaiC: в течение дня KaiA фосфорилирует KaiC, а ночью KaiB выполняет обратную реакцию, то есть снимает с KaiC остатки фосфорной кислоты. Сам KaiC может влиять на активность других генов (в том числе и своего собственного), стимулируя транскрипцию, то есть синтез РНК на них, но делать он это может в зависимости от того, в каком он виде находится, в дневном фосфорилированном или в ночном нефосфорилированном.

Исследователям нужно было лишь пересадить три гена от цианобактерии Synechococcus elongatus кишечной палочке Escherichia coli. Фосфорилированный KaiC взаимодействует с другим белком, SasA, и исследователи внесли в геном кишечной палочки ещё и ген светящегося белка, который включался комплексом KaiC-SasA. Наступал день, KaiC получал фосфатную группу, связывался с SasA, и оба они вместе активировали синтез РНК на гене флуоресцентного белка. На его РНК синтезировался сам белок, и клетка начинала светиться! Иными словами, кишечную палочку, у которой никаких суточных часов сроду не было, снабдили циркадными «ходиками». Правда, спустя три дня часы ломались. По словам авторов, у самих цианобактерий есть дополнительные механизмы, обеспечивающие синхронизацию ядра молекулярной «пружины» со временем суток, а у обычных же бактерий такой «поправки хода» нет (хотя ничто не мешает и такие гены тоже пересадить в кишечную палочку).

Цель работы была, разумеется, не только в том, чтобы получить светящуюся по часам бактерию. Такие клетки, которые к тому же умели бы ещё синтезировать лекарства, могли бы послужить хорошими дозаторами, освобождая нужное вещество в нужный момент времени (у болезней ведь тоже есть свои циклические ритмы).

Бактерии способны останавливать наши биологические часы

Учёные из Тринити-колледжа (Дублин, Ирландия) и Пенсильванского университета (США) провели исследование, которое раскрыло новые механизмы связи между иммунной системой и суточными ритмами. Оказалось, что бактерии способны остановить работу биологических часов в важных клетках иммунной системы – макрофагах.

Связь работы иммунной системы с временем суток хорошо известна. В вечернее и ночное время ее активность намного выше, а в первой половине дня заметно ослабевает. Человеческий мозг способен регулировать суточную активность в зависимости от уровня освещенности. Кроме того, во многих клетках нашего организма существуют особые молекулы, которые, взаимодействуя друг с другом, выполняют роль автономных биологических часов. Одной из таких молекул является транскрипционный фактор BMAL1. Он способен подавлять активность иммунной системы, и, поскольку его количество в клетках вечером уменьшается, иммунный ответ в это время усиливается. Для чего существует такой механизм, точно не известно.

В результате исследования, предпринятого в Тринити-колледже и Пенсильванском университете, выяснилось, что макрофаги во время вирусной или бактериальной инфекции способны самостоятельно уменьшать количество BMAL1 и таким образом оставаться активными вне зависимости от текущего времени суток. Для этого они используют еще один тип молекул – микроРНК-155. МикроРНК способны подавлять активность разных генов, выполняя роль регуляторов практически всех процессов, происходящих в клетке. Открытый биологами механизм позволяет иммунной системе успешно противостоять острым инфекциям.

Однако авторы исследования отмечают, что при некоторых состояниях он может наносить вред организму. В случае аутоиммунных заболеваний, таких, как ревматоидный артрит, проблемой становится излишняя активность иммунной системы, направленная на собственные ткани организма. Эта активность связана, в частности, с пониженным количеством BMAL1. Авторы работы рассчитывают, что сделанное ими открытие позволит разработать методы борьбы с гиперактивацией иммунной системы. Кроме того, можно использовать этот механизм для повышения эффективности иммунотерапии рака.