Bakterie mają rytm dobowy
Bakterie posiadają geny, które umożliwiają im dostosowanie się do dobowego cyklu światła i temperatury. Badacze, którym udało się tego dowieść, chcą teraz to wykorzystać do lepszego zrozumienia tego powszechnie występującego wśród istot zjawiska, które nazywamy czasem zegarem biologicznym.
Ludzie, zwierzęta i rośliny żyją według cyklu dobowego. Całe ziemskie życie dostosowuje się do dwudziestoczterogodzinnego cyklu, w jakim na Ziemi zmienia się światło i temperatura. Dzięki badaniom opublikowanym właśnie w „Science Advances” wiemy, że w tym cyklu działają także bakterie. To nie tylko ciekawostka – to ważna informacja, która może mieć znaczenie w medycynie i biotechnologii. Czy bakterie częściej infekują za dnia? A kiedy są najmniej odporne na leki? A może ma to znaczenie przy wykorzystywaniu bakterii do rozwoju upraw,
Zegar biologiczny albo rym dobowy, to wewnętrzny mechanizm czasowy rozwinięty u wielu żywych istot po to, aby jak najlepiej wykorzystać dobowe i sezonowe zmiany dnia i nocy. Rytm dobowy działa na poziomie molekularnym, wewnątrz żywych komórek, które wykorzystują zewnętrzne wskazówki, takie jak światło słoneczne i temperaturę, aby zsynchronizować się z otaczającym je środowiskiem. To właśnie z tego powodu mamy trudność z szybką adaptacją po podróży samolotem, która kończy strefie czasowej – cały nasz organizm musi przystosować się do nowej sytuacji.
W ciągu dwóch ostatnich dekad badania w zakresie medycyny i nauk o poznaniu i biologii pokazały nam wyraźnie, jak duży jest wpływ tego rytmu na nasze procesy życiowe, takie jak sen czy funkcje poznawcze, a także na umiejętność regulacji wody i fotosyntezy u roślin. Niewiele jednak wiemy o tym, na ile dwudziestoczterogodzinny ryt życia dotyczy też bakterii, które – warto przypomnieć – stanowią 12 procent biomasy na naszej planecie i mają kluczowe znaczenie dla zdrowia, dla środowiska i dla biotechnologii.
Dotychczasowe badania pokazały, że w zegar biologiczny wyposażone są także bakterie, które żywią się w procesie fotosyntezy, dla których do produkcji energii niezbędne jest światło słoneczne. Ale wolno żyjące niefotosyntetyzujące bakterie pozostały w tym zakresie tajemnicą. Międzynarodowy zespół badaczy z Niemiec, Danii, Norwegii i Holandii postanowił sprawdzić tę niewiadomą, podejmując się badań na niefotosyntetyzującej bakterii glebowej laseczki siennej (Bacillus subtilis).
Zespół posłużył się metodą raportowania lucyferazy. Lucyferaza to specjalny enzym, który emituje światło w procesie bioluminescencji – w skali makro obecny jest na przykład u świetlików. Enzym pomaga często naukowcom wizualizację na ile aktywny jest dany gen w organizmie – kiedy gen produkuje białko, możliwe jest utlenianie prowadzące do bioluminescencji.
Badacze skupili się na dwóch genach laseczki siennej. Pierwszy – ytvA – to gen dekodujący fotoreceptory niebieskiego światła. Drugi nazywa się KinC i jest zaangażowany w indukcję błon biologicznych i zarodników u bakterii. Rozumiejąc jak pracują aktywne geny, badacze są w stanie obserwować je i śledzić ich aktywność. Pierwszym etapem było więc zaobserwowanie ich dobowej aktywności a następnie doświadczalne sprawdzanie co się dzieje, kiedy cykl dobowy zostanie zakłócony.
Naukowcy przez pewien czas obserwowali działanie genu ytvA w dobowym cyklu 12 godzin światła i 12 godzin ciemności a następnie wprowadzili na dłuższy czas pozbawili go zupełnie dostępu do światła i kontynuowali oberwacje. Zauważyli, wzorce działania ytvA dostosowane do cyklu światła i ciemności, przy wzrastającym poziomie aktywności w ciemności i zmniejszającym się w świetle. Ten sam cykl początkowo zachowany był w stałej ciemności. Dopiero w ciągu kilku dni aby wzór dostosował się do nowych warunków i ustabilizował. Podobnie było z powrotem do wcześniejszego wzoru po przywróceniu cyklu światła i ciemności.
Podobny eksperyment badacze przeprowadzili sprawdzając cykl dziennej zmiany temperatury, na przykład przedłużając długość i intensywność dziennej części cyklu. Zauważono podobny efekt zmian, a bardziej subtelne formy zmian niż przy zmianie światła pozwoliły ustalić, że i odkrywając w ten sposób, że działanie rytmu dobowego jest płynne a nie zero-jedynkowe (działa-nie działa).
Prof. Martha Merrow z Uniwersytetu Monachijskiego, główna autorka badań, wyjaśnia że wyniki badań nie tylko rozszerzają naszą wiedzę, ale mogą być przydatne w dalszych badaniach. Naukowcy chcą wykorzystać to, że bakterie działają w cyklu biologicznym podobnie jak my, inne zwierzęta i rośliny. W ten sposób zyskujemy możliwości wykorzystania nowego materiału badawczego do badania ogólnych warunków działania cyklu dobowego. Prof. Merrow liczy, że dzięki temu uda się uzyskać szybki postęp w tych badaniach i opisać procesy, które kierują tym rytmem tak u bakterii jak i u roślin i zwierząt.
Źródło badań: Zheng Eelderink-Chen, Jasper Bosman,Francesca Sartor,Antony N. Dodd, Ákos T. Kovács and Martha Merrow: A circadian clock in a nonphotosynthetic prokaryote. Science Advances 08 Jan 2021: Vol. 7, no. 2, eabe2086. DOI: 10.1126/sciadv.abe2086
Opracowano na podstawie artykułu Bacteria can tell the time opublikowanego na portalu Phys.org.
