Цианобактерии, древний род бактерий, осуществляющих фотосинтез, как выяснилось, регулируют свои гены с помощью того же физического принципа, который используется в радиовещании в диапазоне AM.
Новое исследование, опубликованное в журнале Current Biology, показало, что цианобактерии используют изменения в амплитуде (силе) импульса для передачи информации в отдельных клетках. Это открытие позволяет увидеть, как биологические ритмы совместно регулируют клеточные процессы.
В радиоприемнике с амплитудной модуляцией (AM) волна с постоянной силой и частотой - так называемая несущая волна - генерируется в результате колебаний электрического тока. Звуковой сигнал, содержащий передаваемую информацию (например, музыку или речь), накладывается на несущую волну. Это происходит путем изменения амплитуды несущей волны в соответствии с частотой аудиосигнала. Исследовательская группа под руководством профессора Джеймса Локка из Кембриджского университета обнаружила, что аналогичный механизм AM-радио работает в цианобактериях.
В цианобактериях цикл клеточного деления выступает в качестве «несущего сигнала». Модулирующий сигнал поступает от 24-часовых циркадных часов бактерии, которые действуют как внутренний механизм отсчета времени. Это открытие отвечает на давний вопрос клеточной биологии: как клетки интегрируют сигналы от двух колебательных процессов - клеточного цикла и циркадного ритма, которые работают с разной частотой? До сих пор было непонятно, как эти два цикла могут быть скоординированы.
Чтобы решить эту загадку, исследовательская группа использовала метод таймлапс-микроскопии единичных клеток и математическое моделирование. С помощью микроскопии они отслеживали экспрессию белка - альтернативного сигма-фактора RpoD4. RPoD4 играет важную роль в инициации транскрипции - процесса, в ходе которого генетическая информация из ДНК транскрибируется в РНК. Моделирование позволило исследователям изучить механизмы обработки сигналов, сравнив результаты моделирования с данными микроскопии. Авторы обнаружили, что RpoD4 включается в импульсы, которые происходят только во время деления клеток, что сделало его идеальным кандидатом для отслеживания.
Локк пояснил: «Мы обнаружили, что циркадные часы диктуют, насколько сильными будут эти импульсы с течением времени. Используя эту стратегию, клетки могут кодировать информацию о двух колебательных сигналах в одном и том же выходе: информацию о клеточном цикле - в частоте пульсаций, а о 24-часовых часах - в силе пульсаций. Это первый случай, когда мы наблюдали циркадные часы, использующие амплитудную модуляцию импульсов - концепцию, обычно ассоциирующуюся с коммуникационными технологиями, - для управления биологическими функциями. Изменение частоты клеточного цикла с помощью окружающего света или циркадных часов с помощью генетических мутаций подтвердило основополагающий принцип. Поразительно видеть в природе примеры того, что мы иногда считаем «нашими» инженерными технологиями».
«Цианобактерии эволюционировали 2,7 миллиарда лет назад, и у них есть элегантное решение этой проблемы обработки информации. Одна из причин, по которой мы изучаем цианобактерии, заключается в том, что у них самые простые циркадные часы из всех организмов, поэтому их понимание закладывает фундамент, необходимый для понимания часов более сложных организмов, таких как сельскохозяйственные культуры. Эти принципы могут иметь более широкое значение для синтетической биологии и биотехнологии. Например, это может помочь нам разработать сельскохозяйственные культуры, более устойчивые к изменениям условий окружающей среды, что будет иметь значение для сельского хозяйства и экологической стабильности», - добавил Локк.
