Uma nova pesquisa mostrou como um simples relógio circadiano tem uma poderosa capacidade de filtragem de ruídos, melhorando nossa compreensão de como os circuitos biológicos mantêm sua precisão em ambientes naturais dinâmicos. O estudo destaca a notável capacidade dos relógios circadianos de se adaptarem às flutuações ambientais e, ao mesmo tempo, manterem sua precisão. As descobertas são importantes para a compreensão de como os organismos – de bactérias a seres humanos – medem o tempo em resposta a mudanças externas, como a luz e a temperatura causadas pela rotação de 24 horas da Terra.
O estudo, publicado na Nature Communications e que contou com a participação de pesquisadores do Sainsbury Laboratory da Universidade de Cambridge, do Imperial College London, da Universidade de Warwick e do Forschungszentrum Jülich, descobriu que o relógio circadiano filtra seletivamente as flutuações dos sinais ambientais, como as mudanças na duração e na intensidade da luz. Isso permite que o relógio ignore pequenos distúrbios e, ao mesmo tempo, responda a mudanças ambientais significativas.
O relógio circadiano pode distinguir entre estímulos significativos e ruído ambiental
Qualquer pessoa que já tenha cruzado vários fusos horários e experimentado o jet lag sabe o quanto nossos relógios biológicos nos influenciam. De fato, cada célula do corpo humano tem seu próprio relógio molecular que regula os ciclos diários em um período de 24 horas. É importante que os relógios internos das células permaneçam sincronizados por longos períodos de tempo, mas também que possam se adaptar às mudanças no ambiente. O desaparecimento gradual dos sintomas do jet lag ilustra como nossos relógios internos se adaptam a essas novas condições, ajustando nosso relógio circadiano ao novo ciclo dia-noite em um fuso horário diferente.
A maioria dos organismos vivos também tem relógios internos que controlam as funções biológicas. As plantas, por exemplo, precisam saber quando preparar seu aparato fotossintético para a chegada do amanhecer. Como o amanhecer ocorre mais cedo a cada dia, da primavera ao verão, os relógios circadianos das plantas precisam se adaptar a diferentes durações do dia. Entretanto, elas não podem ser tentadas por uma nuvem passageira a interromper seus processos de coleta de luz. Para entender como o relógio circadiano distingue entre estímulos significativos e ruído ambiental, como mudanças temporárias na luz, o grupo Locke do Sainsbury Laboratory Cambridge usou o organismo mais simples conhecido com um relógio circadiano – uma cianobactéria chamada Synechococcus elongatus. Esse organismo unicelular de água doce é fotossintético e, assim como as plantas, precisa manter o controle do tempo para aproveitar ao máximo seu tempo na luz.
Os relógios das cianobactérias são extremamente robustos
A Dra. Sasha Eremina, primeira autora do estudo, que realizou a pesquisa para seu doutorado, disse: “Primeiro, investigamos a precisão intrínseca dos ritmos circadianos sob luz contínua. Para isso, desenvolvemos um dispositivo microfluídico chamado ‘Green Mother Machine’ para manter a célula-mãe original na parte superior da câmara de crescimento, de modo que pudéssemos obter imagens da célula usando microscopia de fluorescência com lapso de tempo prolongado. Com nossa configuração, pudemos observar o crescimento de células individuais e a expressão gênica durante vários dias com uma precisão que não era possível em estudos anteriores.”
A equipe começou a trabalhar na Green Mother Machine em 2016, com base em projetos anteriores de Mother Machine desenvolvidos para bactérias não fotossintéticas. Descobriu-se que as cianobactérias são muito mais difíceis de crescer nesses microambientes do que outros micróbios. “Foram necessários anos de experimentação para superar os desafios técnicos e garantir que tivéssemos o material de tubulação correto, o design de chip correto e a integração correta com o sistema de controle de luz para não danificar a fotossíntese e as membranas celulares”, disse o Dr. Bruno Martins, da Universidade de Warwick. Os pesquisadores demonstraram que os relógios das cianobactérias são excepcionalmente robustos, apesar da constante interrupção dos componentes do relógio e dos mecanismos reguladores pelo ruído celular. Essa robustez permite que as células funcionem em sincronia por centenas de dias.
Como os circuitos biológicos podem funcionar com precisão em ambientes naturais
O relógio das cianobactérias consiste em três proteínas Kai que se ligam e se separam constantemente sob a influência de um processo bioquímico chamado fosforilação, resultando em um ciclo rítmico de 24 horas. Usando modelos matemáticos e mutagênese, os pesquisadores conseguiram demonstrar que essa robustez está enraizada no núcleo do oscilador baseado na proteína Kai e não na rede reguladora de genes mais ampla. Essa descoberta é promissora para aqueles que estão trabalhando em aplicações de biologia sintética, em que sistemas estáveis de controle de tempo são essenciais.
Os pesquisadores também expuseram o relógio cianobacteriano a ciclos complexos de luz e escuridão, incluindo ambientes artificiais e naturais, para entender como ele lida com as mudanças climáticas diárias. Surpreendentemente, eles reproduziram padrões de luz meteorológicos realistas do Mar do Caribe, aos quais os relógios celulares responderam de forma prevista pelo modelo matemático. Apesar das diferentes condições de luz, o relógio das cianobactérias demonstrou uma capacidade notável de filtrar o ruído ambiental e, ao mesmo tempo, manter uma certa sensibilidade às mudanças no ambiente. De acordo com os pesquisadores, seus resultados ilustram como uma rede de relógio simples pode apresentar propriedades complexas de filtragem de ruído e aprofundar nossa compreensão de como os circuitos biológicos podem funcionar com precisão em ambientes naturais.
