Des chercheurs dirigés par le général Kurosawa au Riken Center for Interdisciplinary Théorique et Mathematical Sciences (ITHEM) au Japon ont utilisé la physique théorique pour découvrir comment notre horloge biologique maintient un cycle cohérent de 24 heures, Even changeait les températures. Ils ont constaté que cette stabilité est obtenue grâce à un décalage subtil de la « forme » des rythmes d'activité génique à des températures plus élevées, un processus connu sous le nom de distorsion de la forme d'onde. Ce processus aide non seulement à maintenir le temps stable, mais influence également la façon dont notre horloge interne se synchronise avec le cycle du jour-nuit. L'étude a été publiée dans Biologie informatique PLOS le 22 juillet.
Vous êtes-vous déjà demandé comment votre corps sait quand il est temps de dormir ou de vous réveiller? La réponse simple est que votre corps a une horloge biologique, qui fonctionne sur un cycle d'environ 24 heures. Mais parce que la plupart des réactions chimiques s'accélèrent à mesure que les températures augmentent, comment nos corps compensent la modification des températures tout au long de l'année, ou même si nous allons et venons entre la chaleur estivale extérieure et les pièces climatisées en intérieur, les salles sont restées en grande partie un mystère.
Notre horloge biologique est alimentée par des schémas cycliques d'ARNm – les molécules qui codent pour la production de protéines – qui résultent de certains gènes activés et désactivés rythmiquement. Tout comme les allers-retours d'un pendule balançant au fil du temps peuvent être décrits mathématiquement comme une onde sinusoïdale, montant et descendant en douceur encore et encore, le rythme de la production et de la baisse de l'ARNm peut également.
L'équipe de recherche de Kurosawa à Riken Ithems et collaboratrice à l'Université de Yitp, Kyoto, s'est appuyée sur la physique théorique pour analyser les modèles mathématiques qui décrivent cette montée rythmique et cette chute des niveaux d'ARNm. Plus précisément, ils ont utilisé la méthode du groupe de renormalisation, une approche puissante adaptée de la physique, pour extraire les dynamiques critiques à changement lent du système des rythmes d'ARNm. Leur analyse a révélé qu'à des températures plus élevées, les niveaux d'ARNm devraient augmenter plus rapidement et diminuer plus lentement, mais surtout, la durée d'un cycle devrait rester constant. Lorsqu'il est graphique, ce rythme à haute température ressemble à une forme d'onde asymétrique asymétrique.
Mais ce changement théorisé se produit-il réellement? Pour tester cette théorie dans les organismes réels, les chercheurs ont examiné les données expérimentales des mouches des fruits et des souris. Effectivement, à des températures plus élevées, ces animaux ont montré les distorsions prévues de la forme d'onde, confirmant que les prédictions théoriques s'alignent sur la réalité biologique. Les chercheurs concluent que la distorsion de la forme d'onde est la clé de la compensation de température dans l'horloge biologique, en particulier le ralentissement du déclin au niveau de l'ARNm pendant chaque cycle.
L'équipe a également constaté que la distorsion de la forme d'onde affecte la façon dont l'horloge biologique se synchronise avec les signaux environnementaux, tels que la lumière et l'obscurité. L'analyse a prédit que lorsque la forme d'onde devient plus déformée, l'horloge biologique est plus stable et que les signaux environnementaux ont peu d'effet à ce sujet. Cette prédiction théorique correspond aux observations expérimentales dans les mouches et les champignons et est significative parce que les cycles irréguliers des sorties de lumière font partie de la vie moderne pour la plupart des gens.
Nos résultats montrent que la distorsion de la forme d'onde est une partie cruciale de la façon dont les horloges biologiques restent précises et synchronisées, même lorsque les températures changent. «
Gen Kurosawa, Riken Center for Interdisciplinary Théorique et Sciences mathématiques
Il ajoute que les recherches futures peuvent désormais se concentrer sur l'identification des mécanismes moléculaires exacts qui ralentissent la baisse des niveaux d'ARNm, ce qui conduit à la distorsion de la forme d'onde. Les scientifiques espèrent également explorer comment cette distorsion varie d'une espèce, ou même entre les individus, l'âge et les différences personnelles peuvent influencer la façon dont nos horloges internes se comportent.
« À long terme », note Kurosawa, « le degré de distorsion de la forme d'onde dans les gènes de l'horloge pourrait être un biomarqueur qui nous aide à mieux comprendre les troubles du sommeil, le décalage horaire et les effets du vieillissement sur nos horloges internes. Elle pourrait également révéler des modèles universels dans le fonctionnement des rythmes. »
