بیشتر واکنش‌های شیمیایی در دمای بالا، سریع‌تر انجام می‌شوند زیرا گرما باعث می‌شود، مولکول‌ها بیشتر با هم برخورد کنند. اگر این قوانین پایه فیزیک، کنترل نشود، موجب خواهد شد که هر فرآیند سلولی سرعت بگیرد اما موجودات زنده جبران دما را می‌دانند و ریتم شبانه‌روزی خود را تقریبا ثابت نگه می‌دارند.
در این تحقیق محققان از چیزی به نام مقدار«کیو ۱۰» (Q۱۰) برای اندازه‌گیری چگونگی تاثیر دما بر واکنش‌ها استفاده کردند و نتایج نشان داد حتی افزایش اندک گرما به میزان ۱۰ درجه فارنهایت، می‌تواند سرعت بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی را دو برابر کند به همین دلیل بعید است که ساعت بدن کاملا پایدار باشد. این موضوع، محققان ساعت‌های بیولوژیکی بدن را دهه‌ها کنجکاو کرده است و به‌طور مداوم برای درک این مورد تحقیق می‌کنند.
ثابت نگه داشتن ساعت بدن
محققان در سال ۱۹۵۴، متوجه شدند که مگس‌های میوه، حتی وقتی دمای محفظه‌هایشان تغییر می‌کرد، دقیقا طبق برنامه، بیرون می‌آمدند و نتایج نشان داد که ساعت بدن، ترمزهای داخلی برای مقابله با فشار حرارتی دارد. مدل‌های بعدی به حلقه‌های شیمیایی استناد کردند که چرخه را طولانی‌تر یا کوتاه‌تر می‌کنند تا پاسخ‌های دمایی آنها خنثی شود. این ایده‌ها در تئوری عمل می‌کنند اما جزئیات دقیق منحنی‌های بیان ژن واقعی ثبت شده در حیوانات و گیاهان را به‌طور کامل نشان نمی‌دهند.
تغییر شکل ساعت بدن
محققان دریافتند که کلید، تنظیم سرعت چرخه نیست و در عوض، آنان کشف کردند که تغییر شکل ریتم یا «اعوجاج شکل موج» تفاوت ایجاد می‌کند. در دماهای بالاتر، سطح پیام‌رسان «ام‌اران‌ای» (mRNA) به شدت بالا می‌رود، اندکی متوقف می‌شود و سپس با سرعت کمتری پایین می‌آید و این مورد باعث می‌شود یک طرف موج کشیده شود و طرف دیگر فشرده شود.
ساعت بیولوژیکی ما توسط الگوهای چرخه‌ای «ام‌اران‌ای»، مولکول‌هایی که تولید پروتئین را کد می‌کنند و از روشن و خاموش شدن ریتمیک ژن‌های خاص ناشی می‌شوند، نیرو می‌گیرد. همانطور که رفت و برگشت یک پاندول در حال نوسان در طول زمان را می‌توان از نظر ریاضی به‌عنوان یک موج سینوسی توصیف کرد که به آرامی بالا و پایین می‌رود، ریتم تولید و کاهش «ام‌اران‌ای» نیز می‌تواند چنین باشد. مساحت کل زیر منحنی که معیار غیرمستقیم میزان تولید پروتئین است، ثابت باقی می‌ماند که به ثابت ماندن طول کلی چرخه کمک می‌کند. با مشاهده نمودار، موج سینوسی که زمانی صاف بود، به یک موج اره‌ای کج تبدیل می‌شود. همین هندسه به تنهایی اصلاح زمان‌بندی مورد نیاز را ارائه می‌دهد.
ترفند ریاضی و توضیح زمان در گرما
محققان برای توضیح اینکه چگونه این عدم تعادل، چرخه را ثابت نگه می‌دارد، از تکنیکی ریاضی به نام روش گروه «بازبهنجارسازی» (روش ریاضی در فیزیک است که برای مدیریت و حذف بی‌نهایت‌ها در محاسبات استفاده می‌شود) استفاده کردند. این تکنیک معمولا برای سیستم‌های پیچیده مانند آشفتگی اعمال می‌شود. این روش، نشان می‌دهد که فقط افت موج برای مقابله با افزایش سرعت‌های جهانی به استراحت نیاز دارد و از آنجا که تحلیلی است و نه صرفا شبیه‌سازی شده، پیش‌بینی‌های قابل آزمایش روشنی در مورد اینکه کدام بخش از شکل موج باید هنگام افزایش ترموستات کشیده شود، ارائه می‌دهد.
مطابقت ساعت‌های حیوانی با مدل
مگس‌های میوه، موش‌ها و حتی قارچ‌های کپک نان، انحراف پیش‌بینی‌شده را هنگام رشد در اتاق‌های گرم‌تر نشان می‌دهند که با مدل خط به خط مطابقت دارد. آزمایش‌های پالس حرارتی همچنین پروتئین‌های PER و TIM را در جهتی که نظریه پیش‌بینی می‌کند، تغییر می‌دهند و تأیید می‌کنند که پروتئین‌ها از موج سطح پیام‌رسان آران‌ای پیروی می‌کنند.
در مگس‌هایی که جهش perL را دارند، اعوجاج اغراق‌آمیز است و دوره در واقع طولانی‌تر می‌شود، که نشان می‌دهد چگونه یک تغییر ژنتیکی واحد می‌تواند تعادل را بر هم بزند. این جهش به محققان می‌آموزد که نقاط اوج مولکولی کجا پنهان می‌شوند.
تاثیر شکل موج بر خواب و شیفت کاری
یک ساعت قوی‌تر اما کم‌پاسخ‌تر، تا زمانی که از چندین منطقه زمانی عبور یا شب‌ها کار نکنید، خوب به نظر می‌رسد. کار مدل‌سازی نشان می‌دهد که با افزایش «اعوجاج شکل موج»، دامنه سیگنال‌های نوری که می‌توانند ساعت را مجددا تنظیم کنند، محدودتر و باعث می‌شود که بی‌خوابی و خستگی ناشی از شیفت کاری، به سختی قابل جبران باشند.
میزان «اعوجاج شکل موج» در ژن‌های ساعت می‌تواند نشانگر زیستی باشد که به ما در درک بهتر اختلالات خواب کمک می‌کند. نادیده گرفتن شکل ممکن است توضیح دهد، چرا برخی از داروهای آزمایشی که سرعت واکنش را تغییر می‌دهند، هرگز به روش‌های درمانی، راه پیدا نکرده‌اند.
ریتم‌های تغییر شکل ساعت بدن در گرما و نور
تغییرات در شکل ریتم ساعت بدن همچنین بر نحوه واکنش به تاریکی زمستان و نور شدید تابستان تاثیر می‌گذارد که نشان‌دهنده ارتباط مولکولی احتمالی بین تغییرات دما و تغییرات خلقی فصلی است.
حشراتی که دامنه‌های دمایی وسیعی را تحمل می‌کنند، سازگاری کندی نشان می‌دهند زیرا یک موج به شدت تحریف‌شده در برابر نشانه‌های سپیده‌دم مقاومت می‌کند. یک موج تحریف‌شده در ماه اول بهار، ممکن است به پرندگان مهاجر بگوید چه زمانی به سمت جنوب حرکت کنند یا به زنبورها سیگنال دهد که در اواخر روز به دنبال غذا بروند. این دانش می‌تواند راهنمای طراحی سیستم‌های روشنایی هوشمند باشد که با تغییر دما، طیف و شدت را تغییر می‌دهند.
گزینه‌های درمانی
محققان اکنون باید آنزیم‌هایی را شناسایی و به دنبال داروهایی باشند که بتوانند این فرآیند را تحریک کنند.
متخصصان همچنین می‌خواهند بدانند که آیا سن، رژیم غذایی یا تنوع ژنتیکی بر میزان سهولت خم شدن شکل موج تاثیر می‌گذارد یا خیر. این مورد می‌تواند مسیرهایی را برای کرونوتراپی (زمان‌درمانی) متناسب‌تر باز کند.
تحقیقات آینده می‌توانند بر شناسایی مکانیسم‌های مولکولی دقیقی که کاهش سطح «ام‌اران‌ای» را کند می‌کنند، تمرکز کنند، مکانیسم‌هایی که منجر به «اعوجاج شکل موج» می‌شوند. دانشمندان همچنین امیدوارند بررسی کنند که چگونه این اعوجاج در گونه‌های مختلف یا حتی بین افراد، متفاوت است زیرا سن و تفاوت‌های شخصی ممکن است بر نحوه رفتار ساعت‌های داخلی ما تاثیر بگذارند.
پاسخ به این سوالات همچنین روشن می‌کند که آیا امضاهای شکل موج می‌توانند به عنوان نشانگرهای هشدار اولیه برای بیماری‌های متابولیک عمل کنند یا خیر.
نتایج این تحقیق در نشریه «زیست‌شناسی محاسباتی پلاس» (PLOS Computational Biology) منتشر شده است.
انتهای پیام
نظرات