Hvordan den cirkadiske cyklus påvirker reaktionen på lægemidler i planter

Har du nogensinde bemærket, at den tid, du tager dit daglige koffein hit, kan ændre, hvordan det påvirker dig?

For tidligt, og du kan mærke en eftermiddagsnedgang. For sent, og du kan være oppe hele natten. Dette er på grund af, hvordan stoffet koffein påvirker hormoner i din krop, som er en vigtig del af din daglige rytme.

Denne daglige rytme eller døgnrytme har en enorm indflydelse på dit helbred og dit velvære. Kronomedicin anvender denne viden til at behandle sygdom.

En stor del af dette er at forstå, hvilke særlige lægemidler eller behandlinger, der er mere effektive på bestemte tidspunkter af dagen. Det kan også fortælle os om den optimale timing af vores måltider, eller hvornår vi får det maksimale udbytte af træning.

Dette skyldes, at vores cirkadiske ur tænder og slukker for mindst en tredjedel af vores gener – såvel som de proteiner, de laver – hver dag. De gener, der tændes på et bestemt tidspunkt, vil diktere, hvordan vores krop reagerer på de ting, vi gør, både sunde og usunde.

Ligesom os har planter også et døgnur, der styrer både dags- og årstidens rytmer, der påvirker stofskiftet og væksten. Og det tidspunkt på dagen, hvor en plante oplever en miljømæssig stress – som varme, tørke eller patogener – kan påvirke, hvor godt den plante reagerer.

Kronokultur er et spirende koncept, der ser på, hvordan afgrødernes døgnrytme kan udnyttes til at forbedre deres udbytte.

For eksempel kan optimering af tidspunktet på dagen for kunstvanding eller påføring af gødning og herbicider for at synkronisere med deres døgnur øge effektiviteten eller reducere mængden af ​​nødvendig vedligeholdelse.

Min laboratorieforskning har til formål at forstå, hvordan stofskifte påvirker planters døgnrytme, hvilket er afgørende for planter for at optimere deres brug af sollys til fotosyntese og styre energireserverne gennem natten.

I vores seneste papir, ledet af ph.d. studerende Xiang Li, vi har brugt en tilgang kaldet kemisk biologi, som bruger stoffer eller lægemiddellignende forbindelser til at lære, hvordan et biologisk system fungerer.

Vi søgte gennem mere end 1.000 lægemidler, herunder ibuprofen, aspirin og koffein, som er kendt for at have en effekt i dyreceller for at se, om de påvirker den metaboliske kontrol af døgngenekspression i planter.

Og vi fandt, at et overraskende stort antal af disse lægemidler påvirker planteceller. Dette skyldes, at den grundlæggende måde, planteceller fungerer på, ligner meget dyreceller.

For eksempel var et af de lægemidler, vi brugte, pentamidin isethionat, som bruges til at behandle sovesyge og svær lungebetændelse. Dette lægemiddel virker i nerveceller hos dyr. Planter har ikke et nervesystem, men de har måder at transmittere signaler omkring planten på, som er afhængige af lignende proteiner.

Lægemidlet hæmmede plantevæksten alvorligt og sænkede hastigheden af ​​planternes døgnrytme.

Vores forskning kan hjælpe med at forstå præcis, hvordan dette lægemiddel virker ved at se nøje på lighederne mellem plante- og animalske proteiner.

Andre lægemidler, vi har fundet, ser ud til at virke anderledes i planteceller, fordi det, stoffet er rettet mod, tilsyneladende mangler i planter. For eksempel lægemidler, der påvirker serotonin neurotransmission. Planter laver serotonin, men vi ved relativt lidt om dets rolle i planter, og hvordan det fungerer.

Eksempler som dette er spændende, fordi de repræsenterer potentielle nye lægemiddelmål og åbner muligheden for at bruge nogle af disse lægemidler på nye måder.

Så hvad kan vi gøre med denne nye viden?

Potentielt kan nogle af disse lægemidler udvikles til nye herbicider. Eller vi kan måske øge afgrødevæksten ved at udløse stofskiftet på det rigtige tidspunkt af dagen. Eller på samme måde som vi bruger vores koffeinhit, kunne vi finjustere døgnrytmer for at øge afgrødeydelsen.

En særlig fordel ved at bruge kemisk biologi er, at vi nemt kan teste virkningen af ​​disse lægemidler i andre arter. Dette kan omfatte en række afgrødearter eller andre sårbare organismer i dette miljø, såsom insekter.

Dette kunne sikre, at eventuelle nye landbrugsindgreb har minimal økologisk påvirkning.

Men på kort sigt giver disse lægemidler med nyligt identificerede effekter spændende muligheder for at lære mere om, hvordan plantemetabolisme er forbundet med døgnrytmer. Dette bringer os et skridt tættere på at gøre kronokultur til en realitet.