Сенсаційне відкриття: одні з найдавніших бактерій "спілкуються" за допомогою радіозв'язку

Деталі відкриття

Було виявлено, що ціанобактерії регулюють свої гени за допомогою того ж фізичного принципу, що використовується в радіопередачі в діапазоні АМ. Нове дослідження, опубліковане в журналі Current Biology, показало, що ціанобактерії "використовують варіації амплітуди (сили) імпульсу для передачі інформації в окремих клітинах", цитує 24 Канал. Це відкриття проливає світло на те, як біологічні ритми працюють разом для регулювання клітинних процесів.

У радіо АМ (амплітудна модуляція) хвиля з постійною силою і частотою – так звана несуча хвиля – генерується з коливань електричного струму. Аудіосигнал, який містить інформацію (наприклад, музику або мову), що передається, накладається на несучу хвилю. Це відбувається шляхом зміни амплітуди несучої хвилі відповідно до частоти аудіосигналу.

Дослідницька група під керівництвом професора Джеймса Локка з лабораторії Сейнсбері Кембриджського університету (SLCU) і доктора Бруно Мартінса з Університету Уоріка виявила, що подібний механізм, подібний до радіо, працює в ціанобактеріях.

• У них цикл поділу клітин – процес, під час якого одна клітина росте і ділиться на дві нові клітини, – виступає в ролі "сигналу-носія".
• Модулюючий сигнал надходить від 24-годинного циркадного годинника бактерії, який діє як внутрішній механізм відліку часу.

Це відкриття дає відповідь на давнє питання клітинної біології: як клітини інтегрують сигнали від двох коливальних процесів – клітинного циклу та циркадного ритму, які працюють на різних частотах? Досі було незрозуміло, як ці два цикли можуть бути скоординовані.

Щоб розв'язати цю загадку, дослідницька група використала одноклітинну хронометражну мікроскопію та математичне моделювання. За допомогою часової мікроскопії вони відстежували експресію білка, альтернативного сигма-фактора RPoD4. RPoD4 відіграє важливу роль в ініціації транскрипції – процесу, за допомогою якого генетична інформація з ДНК транскрибується в РНК. Моделювання дозволило дослідникам вивчити механізми обробки сигналу, порівнюючи результати моделювання з даними мікроскопії. Команда виявила, що RPoD4 вмикається імпульсами, які виникають лише під час поділу клітин, що зробило його ідеальним кандидатом для відстеження.

Провідний автор звіту доктор Чао Є пояснив: "Ми виявили, що циркадний годинник диктує, наскільки сильними є ці імпульси в часі. Використовуючи цю стратегію, клітини можуть кодувати інформацію про два коливальні сигнали в одному і тому ж вихідному сигналі: інформацію про клітинний цикл в частоті пульсації, а про 24-годинний годинник – в силі пульсації. Це перший випадок, коли ми спостерігаємо циркадний годинник, що використовує для керування біологічними функціями амплітудно-імпульсну модуляцію, концепцію, яка зазвичай асоціюється з комунікаційними технологіями".

Що це нам дає

Зміна частоти або клітинного циклу за допомогою навколишнього світла, або циркадного годинника за допомогою генетичних мутацій підтвердила основний принцип. Вражаюче бачити в природі приклади того, що ми іноді вважаємо "нашими» інженерними правилами. Ціанобактерії з'явилися 2,7 мільярда років тому і мають елегантне рішення цієї проблеми обробки інформації,
– сказав співавтор дослідження доктор Мартінс.

Професор Локк додав: "Одна з причин, чому ми вивчаємо ціанобактерії, полягає в тому, що вони мають найпростіший циркадний годинник серед усіх організмів, тому його розуміння закладає фундамент, необхідний для розуміння годинників у більш складних організмах, таких як люди і сільськогосподарські культури".

Ці принципи можуть мати ширше застосування в синтетичній біології та біотехнології. Наприклад, це може допомогти нам розробити культури, більш стійкі до мінливих умов навколишнього середовища, що матиме наслідки для сільського господарства та сталого розвитку людства.