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Che cosa fa un ticchettio dell'orologio biologico semplice?

Un gruppo interdisciplinare dei ricercatori alla Vanderbilt University ha analizzato l'orologio biologico conosciuto più semplice ed ha capito che cosa lo fa ticchettare.

I risultati della loro analisi sono pubblicati nell'emissione del 27 marzo della biblioteca pubblica del giornale di biologia di scienza.

Gli orologi biologici sono stimolatore cardiaci microscopici. Sono trovati in tutto dalla schiuma di stagno agli esseri umani e sembrano contribuire ad organizzare una schiera dizzying dei trattamenti biochimici. Un viaggiatore avverte il jet lag quando il suo orologio interno diventa da synch con l'ambiente. Il disordine affettivo stagionale, alcuni tipi di depressioni, i disordini di sonno ed i problemi che regolano ai cambiamenti nel lavoro cicla tutto possono accadere quando l'orologio biologico di una persona agisce su. Gli studi recenti anche hanno trovato i collegamenti fra questi orologi molecolari e cancro.

Nel 2005, un gruppo di ricercatori giapponesi ha sorpreso la comunità scientifica mostrando quello le tre proteine quale compongono l'orologio biologico in cianobatteri stabiliranno un ciclo di 24 ore da sè una volta collocati in una provetta con l'adenosintrifosfato (ATP), il prodotto chimico quel alimentano le reazioni biologiche.

“Che era una grande sorpresa,„ dice Carl Johnson, il professore delle scienze biologiche che hanno diretto il nuovo studio. “Tutti abbiamo pensato che il sistema fosse feedback molto più complicato e richiesto dalla cella? macchinario genetico di s per lavorare.„

L'annuncio ha spinto Johnson, che stava lavorando seguendo le simili righe, a montare un gruppo interdisciplinare per capire come queste tre proteine possono stabilire e mantenere un ciclo costante e di 24 ore. Lui ed il suo collaboratore da sempre, professore della biochimica Martin Egli, hanno reclutato un gruppo di ricercatori che sono esperti nella microscopia elettronica? Professore associato Phoebe Stewart e ricercatore Dewight Williams? e biofisica? Il professor Hassane Mchaourab? tutti dal dipartimento di fisiologia molecolare. Segno Byrne, un ricercatore di Biomathematician in farmacologia, arrotondata fuori il gruppo.

Sebbene l'orologio biologico consista di soltanto tre parti di base? proteine che sono state contrassegnate KaiA, KaiB e KaiC? quando li hanno cominciati analizzare che cosa stava avendo luogo nella provetta hanno scoperto molto più stavano andando su che avevano immaginato.

“La parte più fresca è che un commputer biologico semplice può fare una cosa sbalordente come la durata di conservazione,„ dice Williams. “È il puzzle biologico più affascinante che ho trovato finora nella mia carriera.„

La domanda di base che i ricercatori precisati per capire è come queste molecole, che stanno subendo le reazioni ad un secondo da seconda e minuto per minuto la frequenza, può sostenere un ciclo di 24 ore.

Il più grande dente nel bioclock è la proteina KaiC. È una grande, molecola di forma cilindrica montata da sei componenti identiche. Il ciclo giornaliero prende la forma dell'aumento e della diminuzione regolari nel numero dei gruppi del fosfato fissati alle molecole di KaiC. Il collegamento e la separazione dei gruppi del fosfato? un trattamento ha chiamato la fosforilazione e la defosforilazione? è un metodo comune di regolamento della proteina. Quando KaiC è fosforilato interagisce nei modi diversi con altre proteine nella cella che fa quando è defosforilato. Quello permette che il bioclock giri i vari trattamenti cellulari in funzione e a riposo.

Sulla base della ricerca precedente, Johnson ed i suoi colleghi hanno avuti certa comprensione nel ruolo delle due più piccole proteine. Hanno saputo che quando KaiA lega a KaiC la tariffa di fosforilazione aumenta, rendendola più facile per fosfato raggruppa per legare al hexamer o a renderlo più difficile affinchè loro scappassero via. KaiB, al contrario, doesn? legatura di t a KaiC finché non sia altamente fosforilato. Ma, quando fa, KaiB neutralizza l'influenza di KaiA.

All'inizio, i ricercatori hanno preveduto un trattamento relativamente diretto: KaiA legherebbe con KaiC e la fosforilazione aumenterebbe gradualmente per 12 ore. Poi qualcosa avvierebbe KaiB per cominciare a saldare con questi complessi e la fosforilazione diminuirebbe gradualmente per 12 ore. Tuttavia, Johnson e Egli? gli sforzi di s per depurarli e cristallizzare i complessi di KaiABC e di KaiAC in modo da hanno potuto determinare la loro struttura facendo uso di cristallografia a raggi x venuta a mancare ripetutamente.

wasn? t fino agli hanno cominciato a mettere la miscela sotto il microscopio elettronico della trasmissione che hanno realizzato la ragione per questo errore. “Risulta che i complessi non formano una struttura statica, che sia perché non potremmo cristallizzarli,„ dice Stewart. “doesn? la t va complesso uno - complesso due tre ore più successivamente e poi tre ore più successivamente al complesso seguente. Invece, avete miscele di tutti i complessi differenti a tutti i punti di tempo, appena nei rapporti differenti.„ I ricercatori hanno diviso il ciclo di 24 ore in sette fasi uguali: Cominciando all'più a basso livello di fosforilazione di KaiC, nelle fasi Up1 e Up2 il livello di fosforilazione aumenta finché non raggiunga un livello di punta. A seguito di questa fase “di P„, i hexamers cominciano a defosforilare con le fasi Down1, Down2 e Down3, raggiungente il suo più a basso livello nella fase “di T„ (T per la depressione) e poi rincomincia.

L'analisi egualmente ha trovato quel, oltre a KaiA, KaiB e KaiC, la provetta egualmente ha contenuto un gran numero di tre più piccole molecole, chiamate monomeri, che sono gli elementi di base per le proteine del bioclock. KaiC è un hexamer che si compone di sei monomeri. KaiA è un dimero che si compone di due monomeri. E KaiB è un tetramero che si compone di quattro monomeri. Nello stesso momento in cui le tre proteine stanno combinando nei complessi e stanno rompendo su ancora, KaiC egualmente sta separando nei monomeri e poi sta ricombinando.

Mentre questo ha fornito una nuova comprensione apprezzata nel trattamento, non ha spiegato che cosa realmente stava accendendo. Per contribuire a decifrare la dinamica di questo sistema, si sono girate verso Byrne. “Il compito che sono stato dato da Carl era di capire come questo sistema di tre proteine, una volta combinato con il trifosfato di adenosina, può produrre un'oscillazione di 24 ore,„ dice il biomathematician. “Che cosa noi? la VE fornisce è nostra? migliore congettura? modello per come il sistema funziona.„

Secondo Byrne? la s modella, il tasto al sistema? la stabilità di s è il ruolo svolto tramite lo scambio di monomeri dai hexamers di KaiC. “Il ciclo di 24 ore è la variazione nel livello medio di fosforilazione dei hexamers. Per produrre ha sostenuto i ritmi nel sistema, dovete avere certo modo sincronizzare i livelli di fosforilazione di diversi hexamers,„ dice. Il fatto che i hexamers stanno scambiando i monomeri ad una tariffa sostanzialmente più veloce che il trattamento di fosforilazione e della defosforilazione tiene i livelli di fosforilazione distribuiti uniformemente in tutto la popolazione di KaiC. “Se la popolazione diventa asincrona? cioè se phosphorylate di alcuni hexamers e defosforila da synch con gli altri? poi i hexamers cominceranno oscillare dalla fase a vicenda e perderete il ritmo.„

Il modello spiega con successo perché una proporzione specifica delle tre proteine è necessaria stabilire il ritmo di 24 ore, come la temperatura può risistemare il sistema e le caratteristiche generali del sistema del bioclock. Tuttavia, ci sono molto più da imparare.

“Questo documento è il nostro primo punto verso la visualizzazione della che cosa sta accadendo durante il ciclo di 24 ore,„ dice Stewart. “Il livello seguente di comprensione sarà come le proteine funzionano insieme come nanomachine per effettuare il loro processo.„

Poi, anche, i ricercatori realizzano che il modo che i sistemi del bioclock funzionano in celle viventi è sostanzialmente più complesso di che cosa ha luogo in una provetta. Per una cosa, ci saranno livelli supplementari di regolamento, quale controllo della sintesi dei monomeri della proteina del bioclock, che influenzano la loro operazione.