Jam biologi mengekalkan kitaran 24 jam dengan mengubah fungsi gen dalam keadaan panas

Penyelidik yang diketuai oleh Jeneral Kurosawa di RIKEN Centre for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS) di Jepun telah menggunakan fizik teori untuk mengetahui cara jam biologi kita mengekalkan kitaran 24 jam yang stabil walaupun suhu berubah.

Mereka mendapati bahawa kestabilan ini dicapai dengan peralihan halus dalam "bentuk" irama aktiviti gen pada suhu yang lebih tinggi, satu proses yang dikenali sebagai herotan bentuk gelombang. Proses ini bukan sahaja membantu mengekalkan masa yang tepat, tetapi juga mempengaruhi seberapa baik jam dalaman kita disegerakkan dengan kitaran siang-malam. Kajian itu diterbitkan dalam jurnal PLOS Computational Biology.

Pernahkah anda terfikir bagaimana badan anda tahu bila hendak tidur atau bangun? Jawapannya mudah: Badan anda mempunyai jam biologi yang berjalan pada kitaran kira-kira 24 jam. Tetapi kerana kebanyakan tindak balas kimia semakin cepat apabila suhu meningkat, menjadi misteri bagaimana tubuh mengimbangi perubahan suhu sepanjang tahun — atau walaupun semasa kita bergerak antara panas musim panas di luar dan kesejukan bilik berhawa dingin.

Jam biologi berfungsi dengan turun naik kitaran dalam tahap mRNA—molekul yang mengekodkan penghasilan protein—yang berlaku apabila gen tertentu dihidupkan dan dimatikan secara berirama. Sama seperti gerakan bandul boleh digambarkan oleh gelombang sinus matematik, naik dan turun dengan lancar, irama pengeluaran dan pereputan mRNA boleh diwakili oleh gelombang berayun.

Pasukan Kurosawa di RIKEN iTHEMS, bersama-sama dengan rakan sekerja di YITP Kyoto University, menggunakan kaedah daripada fizik teori untuk menganalisis model matematik yang menerangkan ayunan berirama mRNA ini. Khususnya, mereka menggunakan kaedah kumpulan penormalan semula, alat yang berkuasa daripada fizik yang membolehkan seseorang mengekstrak kunci, perlahan-lahan mengubah proses dinamik daripada sistem irama mRNA.

Analisis menunjukkan bahawa apabila suhu meningkat, tahap mRNA meningkat lebih cepat dan jatuh lebih perlahan, tetapi tempoh satu kitaran kekal malar. Pada graf, irama ini pada suhu tinggi kelihatan seperti gelombang tidak simetri yang herot.

Untuk menguji kesimpulan teori dalam organisma hidup, para penyelidik menganalisis data eksperimen tentang lalat buah dan tikus. Malah, pada suhu tinggi, haiwan ini menunjukkan herotan bentuk gelombang yang diramalkan, yang mengesahkan ketepatan model teori.

Para saintis membuat kesimpulan bahawa herotan bentuk gelombang adalah kunci kepada pampasan suhu dalam jam biologi, khususnya untuk memperlahankan penurunan tahap mRNA dengan setiap kitaran.

Pasukan itu juga mendapati herotan bentuk gelombang menjejaskan keupayaan jam badan untuk menyegerakkan dengan isyarat luaran, seperti cahaya dan kegelapan. Analisis menunjukkan bahawa dengan herotan bentuk gelombang yang lebih besar, jam lebih stabil dan kurang dipengaruhi oleh isyarat luaran.

Kesimpulan teori ini bertepatan dengan pemerhatian eksperimen pada lalat dan kulat dan penting kerana kitaran terang-gelap yang tidak teratur telah menjadi sebahagian daripada kehidupan moden bagi kebanyakan orang.

"Keputusan kami menunjukkan bahawa herotan bentuk gelombang adalah elemen kritikal dalam cara jam biologi kekal tepat dan disegerakkan, walaupun suhu berubah," kata Kurosawa.

Beliau menambah bahawa penyelidikan masa depan boleh menumpukan pada mengenal pasti mekanisme molekul yang memperlahankan penurunan tahap mRNA dan menyebabkan herotan bentuk gelombang. Para penyelidik juga berharap untuk mengkaji bagaimana herotan ini berbeza antara spesies atau individu, kerana perbezaan umur dan individu boleh menjejaskan fungsi jam biologi.

"Dalam jangka panjang," kata Kurosawa, "tahap herotan bentuk gelombang dalam gen jam boleh menjadi biomarker untuk lebih memahami gangguan tidur, jet lag dan kesan penuaan pada jam dalaman. Ia juga boleh mendedahkan corak irama sejagat - bukan sahaja dalam biologi tetapi dalam mana-mana sistem dengan kitaran berulang."