Den biologiske klokken opprettholder en 24-timers syklus ved å endre hvordan gener fungerer under varme forhold.

Forskere ledet av Gen Kurosawa ved RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS) i Japan har brukt teoretisk fysikk til å oppdage hvordan vår biologiske klokke opprettholder en stabil 24-timers syklus selv når temperaturen endres.

De fant ut at denne stabiliteten oppnås ved et subtilt skifte i «formen» på genaktivitetsrytmene ved høyere temperaturer, en prosess kjent som bølgeformforvrengning. Denne prosessen bidrar ikke bare til å holde nøyaktig tid, men påvirker også hvor godt våre interne klokker synkroniseres med dag-natt-syklusen. Studien er publisert i tidsskriftet PLOS Computational Biology.

Har du noen gang lurt på hvordan kroppen din vet når den skal sove eller våkne? Svaret er enkelt: Kroppen din har en biologisk klokke som går i en syklus på omtrent 24 timer. Men fordi de fleste kjemiske reaksjoner øker når temperaturen stiger, har det vært et mysterium hvordan kroppen kompenserer for temperaturendringer gjennom året – eller til og med når vi beveger oss mellom sommervarmen ute og den kjølige atmosfæren i rom med klimaanlegg.

Den biologiske klokken fungerer ved sykliske svingninger i nivåene av mRNA – molekylene som koder for proteinproduksjon – som oppstår når visse gener rytmisk slås av og på. Akkurat som bevegelsen til en pendel kan beskrives av en matematisk sinusbølge, som stiger og faller jevnt, kan rytmen til mRNA-produksjon og -forfall representeres av en oscillerende bølge.

Kurosawas team ved RIKEN iTHEMS, sammen med kolleger ved YITP Kyoto University, anvendte metoder fra teoretisk fysikk for å analysere de matematiske modellene som beskriver disse rytmiske svingningene i mRNA. De brukte spesielt renormaliseringsgruppemetoden, et kraftig verktøy fra fysikken som lar en trekke ut viktige, sakte skiftende dynamiske prosesser fra mRNA-rytmesystemet.

Analysen viste at mRNA-nivåene steg raskere og falt saktere etter hvert som temperaturen økte, men varigheten av én syklus forble konstant. På en graf så denne rytmen ved høye temperaturer ut som en forvrengt, asymmetrisk bølge.

For å teste de teoretiske konklusjonene i levende organismer, analyserte forskerne eksperimentelle data fra fruktfluer og mus. Ved forhøyede temperaturer viste disse dyrene faktisk de forutsagte bølgeformforvrengningene, noe som bekreftet riktigheten av den teoretiske modellen.

Forskerne konkluderer med at bølgeformforvrengning er nøkkelen til temperaturkompensasjon i den biologiske klokken, spesielt for å bremse nedgangen i mRNA-nivåer med hver syklus.

Teamet fant også ut at bølgeformforvrengning påvirker den indre klokkens evne til å synkronisere med eksterne signaler, som lys og mørke. Analysen viste at med større bølgeformforvrengning er klokken mer stabil og mindre påvirket av eksterne signaler.

Denne teoretiske konklusjonen falt sammen med eksperimentelle observasjoner hos fluer og sopp, og er viktig fordi uregelmessige lys-mørke-sykluser har blitt en del av det moderne liv for folk flest.

«Resultatene våre viser at bølgeformforvrengning er et kritisk element i hvordan den biologiske klokken forblir nøyaktig og synkronisert, selv når temperaturen endres», sier Kurosawa.

Han legger til at fremtidig forskning kan fokusere på å identifisere de molekylære mekanismene som bremser nedgangen i mRNA-nivåer og forårsaker bølgeformforvrengningen. Forskerne håper også å studere hvordan denne forvrengningen varierer mellom arter eller til og med individer, siden alder og individuelle forskjeller kan påvirke hvordan den biologiske klokken fungerer.

«På lang sikt», bemerker Kurosawa, «kan graden av bølgeformforvrengning i klokkegener bli en biomarkør for bedre forståelse av søvnforstyrrelser, jetlag og effekten av aldring på den indre klokken. Det kan også avsløre universelle rytmemønstre – ikke bare i biologi, men i ethvert system med repeterende sykluser.»