Hvordan vores biologiske ure er låst synkroniseret

Forskere fra EPFL's Institute of Bioengineering har opdaget, at det cirkadiske ur og cellecyklussen er, faktisk, synkroniseret.

Intet i biologi er statisk; alt er flydende, dynamisk og konstant i bevægelse. Tit, denne bevægelse sker i gentagne mønstre - regelmæssige, målbare cyklusser, der tikker ligesom "ure".

To af de vigtigste sådanne cyklusser er det cirkadiske ur, som regulerer søvn/vågen rytmen, og cellecyklus, som regulerer væksten, liv og død af stort set alle celler i kroppen. I betragtning af ting som søvnabnormiteter, Kræft, aldring og andre relaterede problemer, det er ikke svært at se, hvorfor begge disse cyklusser har fået enorm interesse fra forskere.

Et af de store spørgsmål på området har været synkronisering, et fænomen først observeret af den hollandske fysiker – og urmager – Christian Huygens. I synkronisering, rytmerne (faserne) af to oscillatorer matcher i låst trin.

Naturligt, døgnuret tager en daglig rytme, men det viser sig, at også cellecyklussen i mange systemer involverer en lignende tidsskala. Ud over, der er nogle beviser, der tyder på, at begge ure faktisk kan påvirke hinanden.

Nu, forskere fra Felix Naefs laboratorium har fundet ud af, at døgn- og cellecyklusurene faktisk er synkroniserede. Gennembrudsundersøgelsen er publiceret i Naturfysik , og er også omtalt i tidsskriftets nyheder og visninger.

For at gennemføre undersøgelsen, forskerne udviklede en "små data"-metode til at bygge og identificere en matematisk model af de koblede ure fra time-lapse-film af tusindvis af enkeltceller fra mus og mennesker.

Modellen tillod dem at forudsige og måle faseskift, når de to ure blev synkroniseret i et 1:1 og 1:2 mønster, og se derefter på, hvordan systemstøj påvirker denne synkronisering. Endelig, forskerne undersøgte også, hvordan det kunne modelleres på en randomiseret måde ("stokastisk"), som bedre ville fange, hvad der sker i rigtige celler.

Synkroniseringen viste sig også at være bemærkelsesværdig robust mod temperaturændringer, som vides at påvirke cellecyklus-uret, ændring af celledelingsrytmen. Holdet fandt ud af, at denne døgnrytme-cellecyklus-synkronisering er almindelig på tværs af forskellige arter, herunder mennesker, antyder en grundlæggende biologisk mekanisme bag det.

"Denne interaktion kan spille en fysiologisk rolle, " siger Felix Naef. "Det kan forklare, hvorfor forskellige kropsvæv har deres ure indstillet på lidt forskellige tidspunkter, lidt ligesom verdens tidszone vægure i en lufthavn."

Implikationerne af undersøgelsen er betydelige, og Natur 's News &Views beskriver det som "et nyt kapitel i historien om, hvordan ikke-lineære koblingsmekanismer kan være af fundamental betydning for vores forståelse af levende systemer."