Искусственные клетки научились поддерживать 24-часовые циклы, как живые организмы

Графика изображает часы и точки, соединённые волнистой линией, что символизирует работу биологических часов. Автор: UC Merced

Исследователи из Калифорнийского университета в Мерседе продемонстрировали, что крошечные искусственные клетки могут точно отслеживать время, имитируя суточные ритмы живых организмов. Их открытие проливает свет на то, как биологические часы сохраняют точность, несмотря на молекулярный «шум» внутри клеток.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, возглавили профессор биоинженерии Ананд Бала Субраманиам и профессор химии и биохимии Энди ЛиВанг. Первым автором стал Александр Чжан Ту Ли, получивший докторскую степень в лаборатории Субраманиама.

Биологические часы, также известные как циркадные ритмы, управляют 24-часовыми циклами, регулирующими сон, метаболизм и другие жизненно важные процессы. Чтобы изучить механизмы циркадных ритмов у цианобактерий, учёные воссоздали их «часовой механизм» в упрощённых клеткоподобных структурах — везикулах. Эти везикулы содержали ключевые белки часов, один из которых был помечен флуоресцентным маркером.

Искусственные клетки светились в чётком 24-часовом ритме как минимум четыре дня. Однако при уменьшении количества белков или размера везикул ритмичное свечение прекращалось. Потеря ритма следовала предсказуемой схеме.

Для объяснения результатов команда создала компьютерную модель. Она показала, что часы становятся стабильнее при высокой концентрации белков, позволяя тысячам везикул точно отслеживать время — даже при небольших различиях в количестве белков между ними.

Модель также указала, что другой компонент естественной циркадной системы, отвечающий за включение и выключение генов, не играет ключевой роли в работе отдельных часов, но важен для синхронизации ритмов в популяции.

Исследователи отметили, что некоторые белки часов склонны прилипать к стенкам везикул, поэтому для поддержания функции требуется высокая концентрация белков.

«Это исследование показывает, что мы можем разобрать и понять основные принципы биологического хронометража, используя упрощённые синтетические системы», — сказал Субраманиам.

Работа команды Субраманиама и ЛиВанга расширяет методику изучения биологических часов, отметил Минсю Фан, профессор микробиологии из Университета Огайо и эксперт по циркадным ритмам.

«Циркадные часы цианобактерий зависят от медленных биохимических реакций, которые по своей природе подвержены шуму. Было предположение, что для компенсации этого шума требуется большое количество белков часов. Новое исследование предлагает метод наблюдения за реакциями часов в везикулах с регулируемым размером, имитирующими клетки. Этот мощный инструмент позволяет напрямую проверить, почему организмы с разными размерами клеток используют разные стратегии хронометража, углубляя наше понимание механизмов биологического времени у разных форм жизни», — пояснил Фан.

Дополнительная информация: Alexander Zhan Tu Li et al, Reconstitution of circadian clock in synthetic cells reveals principles of timekeeping, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61844-5

Источник: University of California - Merced