Det biologiske ur opretholder en 24-timers cyklus ved at ændre genernes funktion under varme forhold.

Forskere ledet af Gen Kurosawa ved RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS) i Japan har brugt teoretisk fysik til at opdage, hvordan vores biologiske ur opretholder en stabil 24-timers cyklus, selv når temperaturen ændrer sig.

De fandt ud af, at denne stabilitet opnås ved et subtilt skift i "formen" af genaktivitetsrytmer ved højere temperaturer, en proces kendt som bølgeformforvrængning. Denne proces hjælper ikke kun med at holde præcis tid, men påvirker også, hvor godt vores indre ure synkroniseres med dag-nat-cyklussen. Undersøgelsen er offentliggjort i tidsskriftet PLOS Computational Biology.

Har du nogensinde spekuleret på, hvordan din krop ved, hvornår den skal sove eller vågne? Svaret er simpelt: Din krop har et biologisk ur, der kører i en cyklus på omtrent 24 timer. Men fordi de fleste kemiske reaktioner accelererer, når temperaturen stiger, har det været et mysterium, hvordan kroppen kompenserer for temperaturændringer i løbet af året - eller endda når vi bevæger os mellem sommervarmen udenfor og køligheden i airconditionerede rum.

Det biologiske ur fungerer ved cykliske udsving i niveauet af mRNA – de molekyler, der koder for proteinproduktion – som opstår, når bestemte gener rytmisk tændes og slukkes. Ligesom bevægelsen af et pendul kan beskrives af en matematisk sinusbølge, der stiger og falder jævnt, kan rytmen af mRNA-produktion og -henfald repræsenteres af en oscillerende bølge.

Kurosawas team på RIKEN iTHEMS anvendte sammen med kolleger på YITP Kyoto University metoder fra teoretisk fysik til at analysere de matematiske modeller, der beskriver disse rytmiske svingninger af mRNA. De brugte især renormaliseringsgruppemetoden, et kraftfuldt værktøj fra fysikken, der gør det muligt at udtrække centrale, langsomt skiftende dynamiske processer fra mRNA-rytmesystemet.

Analysen viste, at mRNA-niveauerne steg hurtigere og faldt langsommere, efterhånden som temperaturen steg, men varigheden af en cyklus forblev konstant. På en graf lignede denne rytme ved høje temperaturer en forvrænget, asymmetrisk bølge.

For at teste de teoretiske konklusioner i levende organismer analyserede forskerne eksperimentelle data fra frugtfluer og mus. Ved forhøjede temperaturer udviste disse dyr faktisk de forudsagte bølgeformforvrængninger, hvilket bekræftede den teoretiske models rigtighed.

Forskerne konkluderer, at bølgeformforvrængning er nøglen til temperaturkompensation i det biologiske ur, specifikt for at bremse faldet i mRNA-niveauer med hver cyklus.

Holdet fandt også, at bølgeformsforvrængning påvirker det indre urs evne til at synkronisere med eksterne signaler, såsom lys og mørke. Analysen viste, at med større bølgeformforvrængning er uret mere stabilt og mindre påvirket af eksterne signaler.

Denne teoretiske konklusion faldt sammen med eksperimentelle observationer i fluer og svampe og er vigtig, fordi uregelmæssige lys-mørke-cyklusser er blevet en del af det moderne liv for de fleste mennesker.

"Vores resultater viser, at bølgeformforvrængning er et kritisk element i, hvordan det biologiske ur forbliver nøjagtigt og synkroniseret, selv når temperaturen ændrer sig," siger Kurosawa.

Han tilføjer, at fremtidig forskning kunne fokusere på at identificere de molekylære mekanismer, der bremser faldet i mRNA-niveauer og forårsager bølgeformforvrængningen. Forskerne håber også at kunne undersøge, hvordan denne forvrængning varierer mellem arter eller endda individer, da alder og individuelle forskelle kan påvirke det biologiske urs funktion.

"På lang sigt," bemærker Kurosawa, "kan graden af bølgeformforvrængning i urgener blive en biomarkør til bedre forståelse af søvnforstyrrelser, jetlag og aldrings virkninger på det indre ur. Det kan også afsløre universelle rytmemønstre - ikke kun i biologi, men i ethvert system med gentagne cyklusser."