Sirkadiyen Saatler Değişen Ortamlarda Nasıl Sağlam Kalıyor?

Cambridge Üniversitesi’nin yeni araştırması, basit bir sirkadiyen saat ağının, çevresel gürültüyü filtreleyerek doğruluğunu nasıl koruduğunu ortaya koyuyor. Cyanobacterium Synechococcus elongatus üzerinde yapılan çalışma, Kai protein temelli osilatörün, hücrelerin 24 saatlik ritmi değişen ışık koşullarına rağmen sürdürmesini sağladığını gösteriyor. Bulgular, biyolojik saatlerin çevresel değişimlere adaptasyonunu anlamak için önemli ipuçları sunuyor.

Sirkadiyen Saatlerin Çevresel Adaptasyonu

Cambridge Üniversitesi Sainsbury Laboratuvarı, Imperial College London, Warwick Üniversitesi ve Forschungszentrum Jülich’ten araştırmacıların iş birliğiyle yürütülen yeni bir çalışma, basit bir sirkadiyen saat ağının, çevresel dalgalanmalara karşı gelişmiş gürültü filtreleme yetenekleri sergileyerek doğruluğunu koruduğunu ortaya koydu.

Nature Communications’da yayınlanan çalışma, biyolojik saatlerin, Dünya’nın 24 saatlik dönüşüne bağlı olarak ışık ve sıcaklık gibi dış değişikliklere uyum sağlarken nasıl hassasiyetini koruduğunu gösteriyor. Bu bulgular, bakterilerden insanlara kadar tüm organizmaların zamanı takip etme mekanizmalarını anlamak için önemli etkilere sahip.

Sirkadiyen Saatlerin Önemi

Her insan hücresinde, 24 saatlik döngüleri düzenleyen bir moleküler saat bulunur. Jet lag gibi deneyimler, bu biyolojik saatlerin ne kadar etkili olduğunu gösterir. Organizmaların iç saatleri, çevresel değişikliklere uyum sağlarken uzun süre senkronize kalmalıdır. Örneğin, bitkiler, fotosentez makinelerini şafak için hazırlamak üzere zamanı takip eder.

Ancak, bulut geçişi gibi geçici çevresel “gürültüler” bu süreçleri yanıltmamalıdır. Araştırmacılar, sirkadiyen saatin anlamlı uyarıları (örneğin, mevsimsel gün uzunluğu değişiklikleri) ile çevresel gürültüyü (örneğin, geçici ışık değişimleri) nasıl ayırt ettiğini anlamak için, bilinen en basit sirkadiyen saate sahip organizma olan Synechococcus elongatus adlı fotosentetik bir siyanobakteriyi inceledi.

Çalışma Nasıl Yapıldı?

Araştırmacılar, siyanobakterinin sirkadiyen ritimlerinin doğruluğunu anlamak için özel bir mikroakışkan cihaz geliştirdi. Dr. Sasha Eremina’nın doktora çalışması için tasarladığı bu cihaz, “Green Mother Machine” olarak adlandırıldı. Cihaz, ana hücrenin büyüme odasının tepesinde tutulmasını sağlayarak, uzun süreli zaman atlamalı floresan mikroskopi ile tek hücre büyümesi ve gen ifadesinin günlerce izlenmesine olanak tanıdı.

Dr. Bruno Martins (Warwick Üniversitesi), “Siyanobakterilerin bu mikro-ortamlarda büyümesini sağlamak, diğer mikroplara kıyasla çok daha zordu. Doğru tüp malzemesi, çip tasarımı ve ışık kontrolü entegrasyonu için yıllarca deneme-yanılma gerekti,” diyor.

Ekip, şu yöntemleri kullandı:

• Sürekli ışıkta sirkadiyen ritimlerin doğruluğunu test etti.
• Genetik pertürbasyonlar uygulayarak saatin gürültüye karşı direncini inceledi.
• Matematiksel modelleme ve mutajenez ile saatin sağlamlığının kaynağını araştırdı.
• Karmaşık ışık/karanlık döngüleri (yapay ve Karayip Okyanusu’ndan gerçek meteorolojik ışık desenleri dahil) uygulayarak saatin çevresel değişimlere tepkisini analiz etti.

Bulgular: Kai Proteinlerinin Rolü

Siyanobakteri saati, Kai proteinlerinden oluşan bir osilatör tarafından yönetilir. Bu proteinler, fosforilasyon adı verilen biyokimyasal bir süreçle birleşip ayrılarak 24 saatlik bir ritim oluşturur. Çalışma, saatin sağlamlığının, Kai protein temelli osilatörde kök saldığını ve daha geniş gen düzenleyici ağdan bağımsız olduğunu gösterdi.

Dr. Eremina, “Matematiksel modelleme ve mutajenez ile, bu sağlamlığın Kai protein osilatöründen kaynaklandığını gösterdik. Bu, sentetik biyoloji uygulamaları için umut verici, çünkü sabit zaman tutma sistemleri gerekli,” diyor.

Araştırmacılar, siyanobakteri saatlerinin, hücresel gürültüye rağmen yüzlerce gün boyunca senkronize kalabildiğini buldu. Dr. Philipp Thomas (Imperial College London), “Doğal saatler, gürültü minimumunda çalışır; bu, evrimin hassas zamanlamayı tercih ettiğini gösteriyor,” diyor.

Çevresel Gürültü Filtreleme

Çalışma, sirkadiyen saatin, ışık zamanlaması ve yoğunluğundaki küçük değişiklikleri görmezden gelirken, anlamlı çevresel değişimlere (örneğin, gün uzunluğundaki mevsimsel değişiklikler) duyarlı kaldığını gösterdi. Matematiksel model, saatin Karayip Okyanusu’nun gerçek ışık desenlerine verdiği tepkileri doğru bir şekilde öngördü.

Prof. James Locke, “Değişen ışık koşullarına rağmen, siyanobakteri saati, çevresel gürültüyü filtreleme konusunda olağanüstü bir yetenek sergiledi. Bulgularımız, basit bir saat ağının karmaşık gürültü filtreleme özelliklerine sahip olabileceğini gösteriyor,” diyor.

Neden Önemli?

Bu çalışma, biyolojik saatlerin dinamik doğal ortamlarda nasıl hassasiyetini koruduğunu anlamak için önemli bir adım. Bulgular, sentetik biyoloji, tarım ve tıp gibi alanlarda potansiyel uygulamalara sahip. Örneğin, sağlam zaman tutma sistemleri, biyoteknolojik süreçlerde veya kronobiyolojik tedavilerde kullanılabilir.

Gelecek İçin Öneriler

Araştırmacılar, farklı organizmalardaki sirkadiyen saatlerin gürültü filtreleme mekanizmalarını karşılaştırmak için daha fazla çalışma öneriyor. Ayrıca, Green Mother Machine gibi teknolojilerin diğer fotosentetik organizmalara uygulanması, bu bulguların genelleştirilmesine yardımcı olabilir.

Yayın Tarihi ve Kaynak

Yayın Tarihi: 15 Nisan 2025
Kaynak: Cambridge Üniversitesi
Referans: Aleksandra Eremina, Christian Schwall, Teresa Saez, Lennart Witting, Dietrich Kohlheyer, Bruno M. C. Martins, Philipp Thomas, James C. W. Locke. Environmental and Molecular Noise Buffering by the Cyanobacterial Clock in Individual Cells. Nature Communications, 2025; 16 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-58169-8