Period dnevne rotacije Zemlje kodiran je na atomskoj razini strukture proteina

Suradnička skupina japanskih istraživača dokazala je da je period dnevne rotacije (24 sata) Zemlje kodiran na razini atoma KaiC proteina, male biomolekule promjera 10 nm, koja se eksprimira u stanicama cijanobakterija.

Ta istraživačka skupina je uključivala: Dr. Juna Abea, docenta Atsushija Mukaiyamu i profesora Shujia Akiyamu s Instituta za molekularnu znanost (IMS) Istraživačkog centra za integrativne molekularne sustave (CIMoS); docenta Toshifumija Morija i profesora Shinjia Saitoa s Odjela za teorijsku i računalnu znanost na IMS-u; profesora Takaa Konda sa Sveučilišta Nagoya; i docenta Eikija Yamashitu sa Sveučilišnog instituta za istraživanje proteina u Osaki.

Rezultat ovog zajedničkog istraživanja će pomoći rasvijetliti dugogodišnje pitanje u kronobiologiji: na koji je način cirkadijalni period bioloških satova određen? Rezultat će također pomoći u razumijevanju osnovnog molekularnog mehanizma biološkog sata. Ovo saznanje bi moglo doprinijeti razvoju terapija za poremećaje povezane s abnormalnim cirkadijalnim ritmovima.

Rezultati će biti objavljeni online 25. srpnja 2015. (prema sjevernoameričkom istočnom standardnom vremenu) u ScienceExpressu, elektroničkoj verziji časopisa Science, koji izdaje Američko udruženje za napredak znanosti (AAAS).

Pozadina istraživanja

U skladu s dnevnim promjenama u okolišu (posebice intenziteta svjetla i temperature), koje proizlaze iz dnevne rotacije Zemlje oko svoje osi, mnogi organizmi reguliraju svoje biološke aktivnosti kako bi osigurali optimalan fitness i efikasnost. Pojam “biološki sat” se odnosi na mehanizam kojim organizmi prilagođavaju vrijeme odvijanja svojih bioloških aktivnosti. Period tog sata je podešen na približno 24 sata. Širok raspon istraživanja se bavio ispitivanjem bioloških satova organizama koji sežu od bakterija do sisavaca. Posljedično je razjašnjena veza između biološkog sata i različitih bolesti. Međutim, ostaje nejasno kako se 24-osatni cirkadijalni ritmovi provode.

Ranije spomenuta istraživačka skupina je odgovorila na to pitanje koristeći cijanobakterije. Cijanobakterijski cirkadijalni sat može biti rekonstruiran miješanjem triju proteina biološkog sata (KaiA, KaiB i KaiC) i ATP-a. Studija objavljena 2007. je pokazala da je ATP-azna aktivnost KaiC proteina, koji posreduje u reakciji hidrolize ATP-a, snažno povezana s cirkadijalnom periodičnošću. Rezultati te studije su pokazali da bi funkcionalna struktura KaiC proteina mogla biti odgovorna za određivanje dnevnog ritma.

Rezultati istraživanja

ATP-azna aktivnost KaiC proteina pokazuje snažnu cirkadijalnu oscilaciju u prisutnosti KaiA i KaiB proteina. U ovoj studiji, vremenski profil KaiC ATP-azne aktivnosti je imao prigušenu i oscilirajuću komponentu, čak i u odsutnosti KaiA i KaiB. Detaljnija analiza je otkrila da je taj signal imao frekvenciju od 0.91-1 dana što se približno podudaralo s 24-osatnim periodom. Stoga, KaiC je izvor stabilnog ciklusa koji je u skladu s dnevnom rotacijom Zemlje.

Kako bi utvrdili uzročne strukturne faktore, N-terminalna domena KaiC proteina je analizirana korištenjem kristalografije visoke rezolucije. Dobivene atomske strukture su otkrile osnovni uzrok sporosti KaiC u odnosu na druge ATP-aze. „Spriječen je napad molekule vode na idealnu poziciju za hidrolizu ATP-a steričkim ometanjem u blizini fosforilnih grupa ATP-a. To ometanje je svakako povezano sa strukturom sličnom opruzi koja je dobivena izomerizacijom polipeptida” objašnjava Dr. Jun Abe.

„Hidroliza ATP-a, koja uključuje pristup molekule vode vezanom ATP-u i reverznu izomerizaciju polipeptida, očekivano zahtjeva znatno veće količine slobodne energije nego za tipičnu hidrolizu ATP-a. Stoga, trodimenzionalna atomska struktura otkrivena ovim istraživanjem objašnjava zašto je ATP-azna aktivnost KaiC proteina toliko niža (za 100-1,000.000 navoja) nego kod tipičnih ATP-aznih molekula.”

Period cirkadijalnog sata je neovisan o okolnoj temperaturi, a taj se fenomen naziva temperaturna kompenzacija. Jedna molekula KaiC, sastoji se od 6 identičnih podjedinica, od kojih svaka sadrži udvostručene domene s nizom ATP-aznih motiva. Asimetrična regulacija na atomskom nivou pomoću ranije spomenutog mehanizma određuje mehanizam povratne sprege koji zadržava ATP-aznu aktivnost na konstantno niskoj razini. Autori ove studije su otkrili da je period dnevne rotacije Zemlje (24 sata) implementiran kao vremenska konstanta mehanizma povratne sprege u toj proteinskoj strukturi.

Tehnološke implikacije

KaiC i druge proteinske molekule imaju sposobnost pokretanja u kratkom vremenskom rasponu, obično od 10-12 do 10-1 sekundi. Ova studija pruža prvi dokaz na atomskoj razini da male molekule proteina mogu proizvesti 24-osatne ritmove regulacijom molekularne strukture i reaktivnosti. Voditelj laboratorija i direktor CIMoS-a, profesor Shuji Akiyama to vidi na ovaj način: „Činjenica da su molekula vode, ATP, polipeptidni lanac i drugi univerzalni biološki spojevi uključeni u ovu regulaciju, ukazuje da postoji mogućnost da ljudi i drugi složeni organizmi također dijele slične molekularne mehanizme.

U bogatom unutarstaničnom okolišu, koji sadrži mnoštvo molekularnih signala, KaiC pokazuje dugotrajne oscilacije korištenjem male količine energije proizvedene utroškom ATP-a. Taj pametni mehanizam za mjerenje vremena u bučnom okolišu, mogao bi nadahnuti razvoj visokoučinkovitih i održivih procesa kemijskih reakcija i obrade informacije bazirane na molekularnim sustavima.”

Važnost istraživanja

Cirkadijalni ritam čine cikličke promjene u fizičkom i psihičkom funkcioniranju organizma koje se ponavljaju svaka 24 sata, a smatra se da ga imaju organizmi različite složenosti (mikroorganizmi, biljke, životinje, ljudi itd.). Istraživanja biološkog sata i mehanizama njegove regulacije bi moglo doprinijeti razvoju terapije za poremećaje povezane s abnormalnim cirkadijalnim ritmovima.

Izvor: Nins