Они есть у людей, у других животных и у растений. И теперь исследователи открыли, что у бактерий также есть внутренние часы, которые подстраиваются под 24-часовой цикл жизни на Земле.
Исследование отвечает на давно мучивший биологов вопрос и может иметь применение в координации доставки лекарств, биотехнологии и разработке временны́х способов защиты культурных растений.
Биологические часы, или циркадные ритмы — изысканные механизмы внутреннего отсчёта времени, которые широко распространены в природе и позволяют живым организмам справляться со значительными изменениями при переходе ото дня к ночи даже на протяжении разных времён года.
Эти молекулярные ритмы, существующие внутри клеток, используют внешние сигналы, такие как дневной свет и температура, чтобы синхронизировать биологические часы с окружающей средой. Из-за них мы страдаем от джетлага, потому что наши внутренние часы временно рассинхронизированы, пока они не подстроятся к новому циклу света и тьмы на новом месте.
Растущая база результатов исследований за последние двадцать лет продемонстрировала важность этих молекулярных метрономов для ключевых процессов, например сна и умственной активности людей, а также регулирования циркуляции воды и фотосинтеза в растениях.
Хотя бактерии составляют 12% биомассы планеты и имеют значение для здоровья, экологии и промышленной биотехнологии, мы мало знаем об их 24-часовых биологических часах.
Предыдущие исследования показали, что фотосинтезирующие бактерии, которым свет требуется для производства энергии, имеют биологические часы.
Но свободноживущие нефотосинтезирующие бактерии в этом отношении оставались загадкой.
В новом международном исследовании учёные обнаружили свободно идущие циркадные ритмы у нефотосинтезирующей почвенной бактерии — сенной палочки (Bacillus subtilis).
Команда применила так называемый метод подсвечивания люциферазой, при котором добавление биолюминесцирующего фермента позволяет исследователям визуализировать активность генов в организме.
Они сфокусировались на двух генах. Первый из них, ytvA, кодирует рецептор синего света, а второй, фермент KinC, участвует в инициировании образования биологических плёнок и спор в бактерии.
Исследователи наблюдали уровни активности генов в полной темноте и сравнивали с их активностью при циклах 12 часов света / 12 часов темноты. Они обнаружили, что уровни активности гена ytvA подстроились под цикл света и темноты и концентрация белка увеличивалась в темноте и снижалась на свету. Этот цикл сохранялся даже после помещения бактерий в постоянную темноту.
Учёные наблюдали, как стабильная модель изменения сформировалась за несколько дней, а также выяснили, что эту модель можно сместить по времени при смене условий. Эти две особенности — основные черты циркадных ритмов и их способности следовать за факторами окружающей среды.
Они провели похожие эксперименты с изменениями температуры в течение дня, например, увеличивая длину или интенсивность дневного цикла, и обнаружили, что ритмы ytvA и kinC подстроились таким же образом, как на это реагируют циркадные ритмы, а не просто включались и выключались, отвечая на температурные изменения.
«Мы впервые обнаружили, что нефотосинтезирующие бактерии могут определять время, — говорит ведущий автор исследования профессор Марта Мерроу из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана. — Они адаптируют свои молекулярные механизмы ко времени суток, считывая циклы света и температуры окружающей среды».
«Помимо решения медицинских и экологических вопросов, мы хотим использовать бактерии как модельные системы для понимания механизмов циркадных часов. Уже есть эффективные инструменты для изучения этой бактерии, что позволит нам быстро достигнуть прогресса», — добавила она.
Исследование также может помочь ответить на многие важные вопросы. В их числе: влияет ли время суток на вероятность инфицирования, можно ли оптимизировать промышленные биотехнологические процессы за счёт времени суток, существенно ли время для антибактериальной обработки?
«Наше исследование открывает двери для изучения циркадных ритмов во всех бактериях. Теперь, когда мы установили, что бактерии могут определять время, нам нужно найти процессы, которые вызывают эти ритмы, и понять, почему эти ритмы оказались эволюционным преимуществом», — говорит один из авторов исследования, доктор Энтони Додд из Центра Джона Иннеса.
Профессор Акос Ковакс, соавтор из Датского технического университета, добавляет: «Сенная палочка имеет множество применений, от производства стиральных порошков до защиты растений, не говоря уже о масштабном использовании в качестве пробиотика для людей и животных. Так что управление биологическими часами в этой бактерии повлияет на различные области биотехнологии».
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
_______________
Источник. Исследование — https://advances.sciencemag.org/content/7/2/eabe2086
Перевод Антон Меньшенин, редактор Вера Круз, автор Обзоры фильмов и книг Веры Круз.
Если вы хотите поддержать наш проект, сделать это можно по ссылке.
_______________
