A biológusok régóta tudják, hogy az organizmusok – a baktériumoktól kezdve egészen az emberekig – a fény és a sötétség 24 órás ciklusát használják ahhoz, hogy biológiai órájukon állítsanak.
Az a folyamat azonban, hogy ezeknek az óráknak molekuláris szinten hogyan történik meg a szinkronizációja annak érdekében, hogy a sejtek egy populációján belül olyan interakciók jöjjenek létre, amelyek a 24 órás ritmus precíz időzítésétől függnek, még kevéssé ismert és értett.
A folyamat jobb megértése érdekében az amerikai Kalifornia Egyetem (UC San Diego) biológus és biomérnök munkatársai egy olyan biológiai modellrendszert hoztak létre, amely a vörösen ragyogó és csillogó Escherichia coli baktériumokból áll. (Az E. coli, vagy kólibaktérium ártalmatlan törzsei az emberi szervezet fontos organizmusai, a normál bélflóra részét képezik.)
Ez az egyszerű 24 órás modellrendszer – amint arról a tudósok a híres „Science” (Tudomány) c. szakfolyóiratban beszámoltak – tette lehetővé a kutatók számára, hogy részletesen tanulmányozzák azt, hogy a sejtek egy populációja hogyan szinkronizálja biológiai óráját, illetve először tette lehetővé a kutatók számára, hogy ezt a folyamatot matematikailag leírják.
„Testünk sejtjei a fény által 'magával sodortak' vagy szinkronizáltak és elmozdulnának a fázisból, ha nem jutnának napfényhez. De a „magával sodrás” jelenségének a megértése nehézkes, mivel nehéz méréseket végezni. A folyamat dinamikája nagyon sok komponenst foglal magába és annak a precíz jellemzése, hogy hogyan működik, trükkös dolog. A szintetikus biológia kiváló eszközzel szolgál az ilyen rendszerek komplexitásának a csökkentéséhez, annak érdekében, hogy mennyiségileg megértsük őket egészen az alapoktól kezdve. Ez redukcionizmus a legjavából.” – magyarázza Jeff Hasty, az UC San Diego biológia és biomérnök professzora, aki a kutatói teamet vezette.
Ahhoz, hogy a „magával sodrás” folyamatát genetikai szinten tudják tanulmányozni, Hasty professzor és az Egyetem Bioáramkörök Intézetének kutatói csapata a szintetikus biológia, a mikrofluid (mikro halmazállapotú, áramlásképes) technológia és a számítási modellezés technikáit kombinálták annak érdekében, hogy egy mikrofluid chipet építsenek olyan kamrák sorozatával, amelyek E. coli baktériumok populációit tartalmazzák. Minden egyes baktériumon belül az a genetikai gépezet, amely a biológiai óra oszcillációiért (rezgés) volt felelős, egy zöld fluoreszkáló proteinhez volt kötve, amely kiváltotta azt, hogy a baktériumok periodikusan fluoreszkáljanak.
A nappali és az éjszakai ciklusok stimulálásához a kutatók úgy módosították a baktériumokat, hogy minden esetben vörösen ragyogjanak és csillogjanak, amikor arabinóz – egy vegyi anyag, amely a baktériumok oszcilláló óramechanizmusait beindította – áramlott keresztül a mikrofluid chipen. Ezzel a módszerrel a tudósok képesek voltak periodikus nappal-éjszaka ciklusokat stimulálni mindössze csak pár percnyi idő alatt a napok helyett, ez pedig hozzásegítette őket ahhoz, hogy jobban megértsék, a sejtek egy populációja hogyan szinkronizálja a biológiai óráját.
Hasty professzor elmondta, hogy leginkább egy hasonló mikrofluid rendszer konstruálható emlősök sejtjeivel is, annak érdekében, hogy tanulmányozni tudják, a humán sejtek hogyan szinkronizálják a fényt és a sötétséget. Az ilyen genetikai modellrendszereknek igen fontos jövőbeni alkalmazásaik lehetnek, mivel a tudósok felfedezték, hogy a biológiai órával kapcsolatos problémák nagyon sok gyakori egészségügyi problémát eredményezhetnek, a cukorbetegségtől kezdve egészen az alvási rendellenességekig.
