کشف رازهای ساعت زیستی بدن انسان

کشف ابعاد پنهان ساعت زیستی بدن

ریتم شبانه‌روزی که هماهنگ‌کننده پیچیده زمان‌بندی فعالیت‌های بدن است، نه تنها چرخه خواب و بیداری ما را کنترل می‌کند، بلکه فرآیندهای اساسی سلولی را نیز مدیریت می‌نماید. این ساعت درونی که با چرخه ۲۴ ساعته زمین همگام است، نقشی حیاتی در حفظ سلامت بدن ایفا می‌کند. اختلال در این ریتم‌های شبانه‌روزی می‌تواند به بروز بیماری‌هایی چون مشکلات قلبی، سرطان و اختلالات متابولیکی منجر شود.

برای رمزگشایی از سازوکارهای سلولی پشت این تنظیم دقیق زمانی، گروهی از پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در مرسد اقدام به ساخت وزیکول‌های مصنوعی شبیه‌سلولی کردند که قادر به شبیه‌سازی دقیق عملکرد ساعت زیستی هستند. این پژوهش نوآورانه که نتایج آن در نشریه Nature Communications منتشر شده است، چگونگی درک و اندازه‌گیری زمان توسط موجودات زنده را در سطح مولکولی آشکار می‌سازد.

ساخت ساعت شبانه‌روزی مصنوعی: اهمیت پروتئین‌های ساعت

مبنای این آزمایش استفاده از سیانوباکتری‌ها بود که به عنوان موجودات میکروسکوپی با ساعت زیستی درونی بسیار منظم و دقیق شناخته می‌شوند. پژوهشگران وزیکول‌هایی با قطری بین ۲ تا ۱۰ میکرومتر طراحی کردند و ترکیبی از سه پروتئین ساعت موجود در سیانوباکتری‌ها یعنی KaiA، KaiB و KaiC را به این ساختارها افزودند.

در این سیستم مصنوعی، پروتئین KaiC نقش مرکزی را بر عهده داشت و دو پروتئین دیگر، KaiA و KaiB، چرخه مولکولی ساعت را به جلو و عقب حرکت می‌دادند. با برچسب‌گذاری فلورسنت، دانشمندان توانستند به صورت بصری فعالیت این «ساعت‌های مصنوعی» را در هر وزیکول ردیابی کنند. شدت نور فلورسنت، داده‌ای مستمر و قابل اندازه‌گیری از نوسانات شبیه‌ساعت زیستی درون سلول‌های مصنوعی ارائه می‌داد.

یافته‌های کلیدی: دقت ساعت و عوامل موثر بر آن

یکی از دستاوردهای مهم این تحقیق نشان داد که دقت ریتم شبانه‌روزی داخل وزیکول‌ها وابسته به میزان پروتئین‌های ساعت و همچنین اندازه وزیکول است. وزیکول‌هایی با ابعاد بزرگ‌تر و پروتئین‌های ساعت بیشتر، رفتاری دقیق‌تر و قوی‌تر از نظر زمان‌بندی ارائه داده و شباهتی نزدیک به ساعت‌های زیستی طبیعی داشتند. در مقابل، کاهش میزان پروتئین‌های ساعت موجب از دست رفتن تدریجی قابلیت زمان‌سنجی در وزیکول‌ها شد.

آناند بالا سبرامانیام، نویسنده اصلی این پژوهش از دانشگاه کالیفرنیا مرسد، توضیح داد: «این مطالعه نشان داد با بهره‌گیری از سیستم‌های سنتتیک و ساده‌شده می‌توان به اصول بنیادی ساعت زیستی پی برد و آن‌ها را تجزیه و تحلیل کرد. این گامی بزرگ در درک بنیادین زیست‌شناسی شبانه‌روزی است.»

مدل‌سازی رایانه‌ای و پیامدهای زیستی گسترده‌تر

به منظور تأیید دقیق‌تر نتایج، تیم پژوهشی مدل‌های رایانه‌ای برای شبیه‌سازی جمعیت وزیکول‌هایی با قابلیت زمان‌سنجی ساخت. مدل‌ها نشان دادند که هر وزیکول می‌تواند ریتم شبانه‌روزی دقیقی را به طور مستقل حفظ کند، اما هم‌زمان‌سازی این ساعت‌ها در یک گروه به سازوکارهای تنظیمی اضافی نیاز دارد؛ مشابه همان چیزی که در موجودات زنده برای یکپارچه‌سازی ساعت سلولی اتفاق می‌افتد.

مینگشو فنگ، میکروب‌شناس دانشگاه ایالتی اوهایو که در این پژوهش نقشی نداشت، رویکرد انجام‌شده را ستود و گفت: «این ابزار قدرتمند امکان بررسی مستقیم دلایل و چگونگی انتخاب استراتژی‌های زمانی متفاوت توسط ارگانیسم‌هایی با اندازه‌های سلولی متنوع را فراهم می‌کند و آگاهی ما از نحوه عملکرد ساعت زیستی در موجودات گوناگون را افزایش می‌دهد.»

کاربردهای آینده: مرزهای پزشکی و زیست‌شناسی

شناخت سازوکارهای مولکولی ساعت‌های درونی بدن توفیق چشمگیری برای حوزه‌های علمی مختلف به شمار می‌رود. پژوهش‌های عمیق‌تر در مورد ریتم شبانه‌روزی می‌تواند به تولد حوزه‌های نوینی همچون کرونومدیسین بینجامد؛ شاخه‌ای که بر اساس تطبیق زمان درمان با ساعت زیستی بدن، اثربخشی را افزایش و تأثیرات جانبی را کاهش می‌دهد. به عنوان نمونه، کرونوشیمی‌درمانی به عنوان روشی برای بهینه‌سازی زمان مصرف داروهای ضد سرطان در حال مطالعه است.

علاوه بر این، رویکردهای زیست‌فناوری که قادر به بازسازی سیستم‌های زمان‌سنج طبیعی هستند، می‌توانند افق‌هایی تازه در تولید بافت‌های زیستی مهندسی‌شده، تشخیص‌های پیشرفته و درمان اختلالات مرتبط با اختلال ریتم شبانه‌روزی بگشایند.

جمع‌بندی

خلق وزیکول‌های مصنوعی با قابلیت زمان‌سنجی، دستاوردی شگرف در حوزه زیست‌شناسی شبانه‌روزی به شمار می‌رود. بازسازی اجزای مولکولی ساعت زیستی درون سلول‌های مصنوعی، گام مهمی در درک اسرار نظم زمانی موجودات زنده است. این یافته‌ها نه تنها موجب افزایش دانش ما از ریتم‌های بنیادین سلامت و بیماری می‌شوند، بلکه مسیرهای نوینی را برای درمان و فناوری‌های زیستی آینده هموار می‌سازند. با کشف و رمزگشایی کوچک‌ترین ساعت‌های موجود در سلول‌های بدن، دریچه‌های تازه‌ای به سوی پیشرفت‌های علمی و پزشکی آینده گشوده خواهد شد.