Une équipe de chercheurs de Merced UC a montré que de minuscules cellules artificielles peuvent garder avec précision le temps, imitant les rythmes quotidiens trouvés dans les organismes vivants. Leurs résultats ont mis en lumière la façon dont les horloges biologiques restent dans les délais malgré le bruit moléculaire inhérent à l'intérieur des cellules.
L'étude, récemment publiée dans Communications de la natureétait dirigé par le professeur de bio-ingénierie Anand Bala Subramaniam et le professeur de biochimie et de biochimie Andy Liwang. Le premier auteur, Alexander Zhang Tu Li, a obtenu son doctorat. dans le laboratoire de Subramaniam.
Les horloges biologiques – également connues sous le nom de rythmes circadiens – régissent des cycles de 24 heures qui régulent le sommeil, le métabolisme et d'autres processus vitaux. Pour explorer les mécanismes derrière les rythmes circadiens des cyanobactéries, les chercheurs ont reconstruit le travail d'horlogerie dans des structures simplifiées de type cellulaire appelées vésicules. Ces vésicules ont été chargées de protéines de l'horloge centrale, dont l'une a été marquée avec un marqueur fluorescent.
Les cellules artificielles ont brillé dans un rythme régulier de 24 heures pendant au moins quatre jours. Cependant, lorsque le nombre de protéines d'horloge a été réduit ou que les vésicules ont été réduites, la lueur rythmique s'est arrêtée. La perte de rythme a suivi un motif reproductible.
Pour expliquer ces résultats, l'équipe a construit un modèle de calcul. Le modèle a révélé que les horloges deviennent plus robustes avec des concentrations plus élevées de protéines d'horloge, permettant aux milliers de vésicules de garder le temps de manière fiable – même lorsque les quantités de protéines varient légèrement entre les vésicules.
Le modèle a également suggéré une autre composante du système circadien naturel – responsable de l'activation des gènes – ne joue pas un rôle majeur dans le maintien des horloges individuelles, mais est essentiel pour synchroniser la synchronisation d'horloge à travers une population.
Les chercheurs ont également noté que certaines protéines d'horloge ont tendance à s'en tenir aux parois des vésicules, ce qui signifie qu'un nombre total de protéines élevés est nécessaire pour maintenir une fonction appropriée.
Cette étude montre que nous pouvons disséquer et comprendre les principes fondamentaux du chronométrage biologique en utilisant des systèmes synthétiques simplifiés. «
Professeur Anand Bala Subramaniam, UC Merced
Le travail dirigé par Subramaniam et Liwang avance la méthodologie pour étudier les horloges biologiques, a déclaré Mingxu Fang, professeur de microbiologie à l'Ohio State University et expert en horloges circadiennes.
« L'horloge circadienne cyanobactérienne s'appuie sur des réactions biochimiques lentes qui sont intrinsèquement bruyantes, et il a été proposé que des nombres de protéines d'horloge élevés soient nécessaires pour tamponner ce bruit », a déclaré Fang. « Cette nouvelle étude introduit une méthode pour observer les réactions d'horloge reconstituées dans des vésicules réglables par la taille qui imitent les dimensions cellulaires. Cet outil puissant permet de tester directement comment et pourquoi les organismes avec différentes tailles cellulaires peuvent adopter des stratégies de synchronisation distinctes, approfondissant ainsi notre compréhension des mécanismes de maintien biologique entre les formes de vie. »
Subramaniam est membre du corps professoral du Département de bio-ingénierie et affilié du Health Sciences Research Institute (HSRI). Liwang est membre du corps professoral du Département de chimie et de la biochimie, également affilié à l'IHSRI. Il est membre de l'American Academy of Microbiology et récipiendaire en 2025 du Dorothy Crowfoot Hodgkin Award de la Protein Society.
Le travail a été soutenu par le National Science Foundation Career Award de Subramaniam de la Division of Materials Research et par des subventions du National Institutes of Health and Army Research Office décerné à Liwang. Liwang a été soutenu par une bourse du NSF Crest Center for Cellular and Biomoléculaire des machines UC Merced.
