Biologické hodiny se regulují dvakrát

Kontrola biologického denního rytmu je zároveň robustní a citlivá

Biologické hodiny určují náš denní rytmus IMSI MasterClips
číst nahlas

Při cestování po více časových pásmech jsou naše biologické hodiny zmateny a výsledkem je „lag“. Ale tělo si na nový den-noční rytmus zvykne velmi rychle. S pomocí biologických hodin ovocné mušky mohli vědci nyní používat počítačové modely k přesnější identifikaci příčin interakce mezi robustností a citlivostí vnitřních hodin. Tyto studie mohou přispět k hlubšímu pochopení lidských chorob, ale také umožňují obecnější pohled na „smysl“ složitosti buněčných regulačních obvodů.

Biologické hodiny u lidí i u jednodušších organismů slouží k tomu, aby bylo možné přizpůsobit chování rytmu den-noc. Každodenní zkušenosti, jako jsou nedávné studie s počítačovými modely vnitřních hodin, ukazují, že se to často chová robustně, takže jej nelze snadno narušit. Na molekulární úrovni je úkolem spolehlivě vytvořit komplexní dynamické chování, které může být také synchronizováno světlem s vnějším světem, například přizpůsobit délku periody hodin sezónně odlišnému trvání dne.

Ovocná moucha jako modelový organismus

Vědci často používají ovocnou mušku pro studium cirkadiánních rytmů, protože základní genetické regulační obvody jsou analogické těm u lidí. V zásadě se jedná o dvě negativní zpětnovazební smyčky, které fungují podobně jako termostaty: pokud je koncentrace genového produktu nad nastavenou hodnotou, produkce odpovídajícího proteinu se vypne a naopak. V cirkadiánních hodinách vede časové zpoždění mezi aktivací genů "per" a "tim" a výskytem proteinů Per a Tim k pozorovaným oscilacím. Ale to je velmi nejasné proč hodiny vlastně mají dvě paralelní kontrolní smyčky. Protože v zásadě by jediná smyčka stačila k vytvoření rytmu; „zbytečná“ složitost hodin tedy potřebuje vysvětlení.

Síťová architektura rozhodující

Výchozím bodem současného výzkumného projektu mezi Institutem Maxe Plancka pro dynamiku komplexních technických systémů v Magdeburgu a Ústavem pro kolaborativní biotechnologie University of California v Santa Barbara / USA byla hypotéza, že pro robustnost systému je nezbytná složitá architektura řídicích obvodů., Aby to otestovali, použili výpočetní modely k prozkoumání toho, jak citlivé alternativní architektury cirkadiánních hodin jsou pro jednu nebo dvě zpětné vazby. Vědci zjistili, že v podstatě síťové architektury určovaly místa, kde byly modely citlivé nebo odolné vůči rušení. Srovnávací studie modelů pak ukázala, že složitost „reálných“ cirkadiánních hodin nemůže být jednoduše doložena robustností vůči všem druhům poruch. Spíše se zdá, že obě vzájemně propojené regulační smyčky podporují přesnost a nastavitelnost hodin pro „normální“ poruchy jednotlivých regulačních mechanismů, zatímco složitější struktura zvyšuje náchylnost ke vzácným a komplikovaným poruchám.

Kompromis mezi robustností a citlivostí

Vědci také našli důkaz, že biologické buňky používají princip hierarchické kontrolní struktury běžně používaný v technologii k dosažení optimálního kompromisu mezi robustností a citlivostí. Citlivost je soustředěna do centrálního umístění, což činí jednotlivé funkce robustnějšími, ale při výskytu cílených útoků na několik centrálních složek dojde ke katastrofám. zobrazit

Například ve strojírenství se tento princip používá pro konstrukci stíhacích letadel, kde jsou nejcitlivější elektronické komponenty instalovány přímo pod sedadlem pilota, než aby byly distribuovány po celém letadle. U cirkadiánních hodin ukazují studie, které jsou nyní zveřejněny, že složitá struktura „reálných“ hodin využívá tohoto principu ke zvýšení jeho celkové odolnosti. Nová zjištění lze použít ke studiu a ovlivnění biologických rytmů, protože tyto umožňují například identifikaci slibných cílů pro nové léky, a to i nezávisle na menších variacích mezi léčenými jedinci.

(MPG, 10.09.2004 - NPO)