Искусственные клетки могут точно измерять время, используя циркадные ритмы

Ученые из Калифорнийского университета в Мерседе показали, что миниатюрные искусственные клетки могут точно отслеживать время, воспроизводя суточные ритмы, присущие живым организмам. Это исследование помогает понять, как биологические часы сохраняют точность, несмотря на хаотичные процессы, происходящие внутри клеток.

Биологические часы, или циркадные ритмы, контролируют суточные 24-часовые циклы, отвечающие за сон, обмен веществ и другие ключевые функции организма. Чтобы понять, как именно работают эти ритмы у цианобактерий, ученые воспроизвели их в виде упрощенных моделей клеток – везикул. Эти везикулы наполнили основными белками, отвечающими за работу биологических часов, причем один из них был помечен флуоресцентной меткой. В течение как минимум четырех дней искусственные клетки регулярно светились в 24-часовом ритме. Однако если количество белков уменьшалось или везикулы становились слишком маленькими, ритмичность свечения исчезала. Причём сбой происходил по предсказуемому сценарию.

Чтобы понять причину такого поведения, исследователи создали компьютерную модель. Она показала, что стабильность биологических часов зависит от концентрации белков: чем ее больше, тем надежнее работает система. Это объясняет, почему даже при небольших различиях в содержании белков множество везикул могут точно отслеживать время. Модель также показала, что другой элемент естественной циркадной системы – тот, который регулирует активацию и деактивацию генов – не играет ключевой роли в функционировании часов внутри отдельных клеток. Однако он важен для согласованной работы биологических часов на уровне всей клеточной популяции.

Кроме того, ученые обнаружили, что часть часовых белков склонна прилипать к стенкам везикул. Это означает, что для стабильной работы искусственных биологических часов требуется повышенное общее количество белка.