Amerikaanse onderzoekers hebben in de bekende lab-bacterie Escherichia coli, beter bekend als E. coli, een genetische klok ingebouwd die zich niet in de war laat brengen door wisselende temperaturen. Genetische systemen zijn uiterst fijne raderwerken, die zich aanpassen aan de temperatuur, uur van de dag en nog vele andere factoren. Toch is een vaste biologische klok belangrijk voor het organisme, maar hoe bouwt de natuur dat met zijn temperatuurafhankelijke biochemie? De onderzoekers hebben nu, met de bouw van een temperatuurbestendige klok, laten zien hoe dat kan.
Met die klok ingebouwd hebben de bacteriën een klok die, onafhankelijk va de temperatuur, op tijd loopt. De klok regelt de productie van eiwitten. Die verandert (dus) niet als de temperatuur verandert. Zo kan gezocht worden naar de oplossing van een probleem dat synthetisch biologen al tijden lang dwars zit: hoe regelen levende systemen die dingen?, welk mechanisme steekt daar achter? “Een van de grote problemen voor synthetisch biologen is dat de genetische circuits die ze bouwen uiterst zwak zijn”, zegt onderzoeker Matthew Bennett. “We kunnen systemen bouwen die doen wat we willen, maar die het meestal bij anderen af laten weten of niet werken bij een andere temperatuur of omgeving. We wilden een systeem hebben dat onafhankelijk van die parameters werkt, die moeilijk door de onderzoekers in de hand te houden zijn. We wilden laten zien dat we robuuste systemen kunnen bouwen, niet door het ingewikkelder te maken, maar door de juiste eiwitten te gebruiken.”
Zoogdieren hebben een temperatuuronafhankelijke biologische klok. Dat is, mede, mogelijk door hun relatief constante lichaamstemperatuur, maar niet al het leven is ‘warmbloedig’. De temperatuur heeft, zoals normaal in de scheikunde, effect op de biochemie: als het warmer wordt verlopen de reacties sneller. Bennett:” Voor elke 10 graden stijging verdubbelt de snelheid van de celcyclus.” En desondanks zijn er organismen met een vaste klok. Bennett: “Wij mensen hebben een genetisch gestuurde klok die ons helpt te bepalen hoe laat het is om ons aan het dag/nachtritme aan te passen door de hormoonspiegels te veranderen en daarmee de waakzaamheid te reguleren. We zijn niet de enige organismen die een circadische klok hebben. Planten, schimmels en sommige bacteriën die geen temperatuurregeling hebben, hebben een circadische klok. Voor die organismen is het wezenlijk dat de klok onafhankelijk van de temperatuur werkt.”
Maar die vaste klok is ook een biochemisch systeem. Hoe is het mogelijk dat die geen last heeft van de temperatuur? Bennett veronderstelde dat de klok gebruik maakt van informatie van de cel en van temperatuurafhankelijke eiwitten. Maar hoe, is de vraag. Bennett en zijn medeonderzoekers gingen niet naar zo’n vaste klok op zoek, maar besloten er zelf een te bouwen. Ze begonnen een zogeheten genoscillator te maken, een genetische variant van een elektronisch systeem, die in het erfgoed van de E. coli-bacterie werd ingebouwd. Daarmee werd die afwisselend in een fluorescente toestand en in een uitgedoofde toestand gebracht. Een soort traag knipperlicht. Het bleek dat de verandering van slechts één aminozuur in het sleuteleiwit Laci de gewenste temperatuuronafhankelijkheid teweegbracht. Daarmee toonden ze aan zo’n vaste genetische klok te kunnen bouwen.
Bennett merkt op dat ingenieurs lang geworsteld hebben temperatuurafhankelijkheid. “Om de tijd bij te houden is het belangrijk dat je compenseert voor temperatuurwisselingen. Metalen zetten uit en krimpen in en veranderen zo de werking in een mechanische klok. Ooit was het een groot probleem voor ingenieurs en dat is het nu weer voor synthetisch biologen.”
Bron: Eurekalert