ایسنا/ دانشمندان سلول‌های مصنوعی درخشانی ساختند که همگام با ساعت بیولوژیکی بدن انسان، ۲۴ ساعته می‌تپند.

دانشمندان جدر یک پیشرفت که زیست‌شناسی و مهندسی را در هم می‌آمیزد، سلول‌هایی مصنوعی ساخته‌اند که ساعت داخلی و طبیعی بدن را تقلید می‌کنند.

دانشمندان «دانشگاه کالیفرنیا مرسد»(UC Merced)، «وزیکول‌های»(vesicles) مصنوعی کوچکی طراحی کردند که با ریتم ثابت ۲۴ ساعته می‌تپند. این شاهکاری است که «چرخه زیست‌شناختی»(circadian rhythms) حاکم بر خواب، متابولیسم و سایر فرآیندهای حیاتی در موجودات زنده را منعکس می‌کند.

«چرخه زیست‌شناختی» یا «چرخه بیولوژیکی»، یک چرخه تقریباً ۲۴ ساعته در فرآیندهای زیست‌شیمیایی، فیزیولوژیکی یا رفتاری جانداران زنده، شامل گیاهان، جانوران، قارچ‌ها و سیانوباکتریها است. اختلال در این چرخه می‌تواند زمینه‌ساز بیماری‌های بسیاری در انسان شود.

«وزیکول» یا «ریز کیسه»، یک حباب درون یا بیرون سلول است که حاوی مایع یا سیتوپلاسم بوده و پوسته آن یک غشای دولایه لیپیدی است.

به نقل از آی‌ای، سلول‌های مصنوعی ساخته شده در این دانشگاه، درست مانند نمونه‌های واقعی با ریتم کامل ۲۴ ساعته می‌تپند. همچنین یافته‌های این تیم نشان می‌دهد که ساعت‌های بیولوژیکی حتی در محیط پر سر و صدا و متغیر درون سلول‌ها چقدر می‌توانند پایدار باقی بمانند.

این مطالعه توسط «آناند بالا سوبرامانیام»(Anand Bala Subramaniam) پروفسور زیست‌مهندسی و «اندی لی‌وانگ»( Andy LiWang) پروفسور شیمی و زیست‌شیمی همراه «الکساندر ژانگ تو لی»(Alexander Zhang Tu Li) دانشجوی دکترا سرپرستی شد.

سلول‌های کوچک همراه ریتمی عظیم

این تیم برای درک اینکه چه چیزی باعث دقت ساعت‌های بیولوژیکی می‌شود، ساعت بیولوژیکی «سیانوباکتری‌ها» (cyanobacteria) را در «وزیکول‌های» ساده و شبه سلولی بازسازی کردند. یکی از پروتئین‌های اصلی با نور فلورسنت برچسب‌گذاری شد و باعث شد سلول‌های مصنوعی با ریتم روزانه همگام شوند و بدرخشند. این تیم دریافت که این درخشش تنها تحت شرایط خاص حداقل به مدت چهار روز ادامه داشت.

«سیانوباکتری‌ها» که با نام «سیانوفیت‌ها» نیز شناخته می‌شوند، شاخه‌ای از باکتری‌های گِرَم منفی هستند.

هنگامی که «وزیکول‌های» کوچکتر ساخته شدند یا تعداد پروتئین‌های ساعت داخل آنها کاهش یافت، این ریتم از بین رفت. مهمتر از آن، این فروپاشی از یک الگوی قابل تکرار پیروی کرد و بینشی در مورد آنچه سامانه‌های زمان‌بندی «چرخه زیست‌شناختی» را به طور روان حفظ می‌کند، ارائه داد.

دانشمندان برای کاوش بیشتر، یک مدل محاسباتی ساختند که نحوه رفتار ساعت‌های مصنوعی را در شرایط مختلف شبیه‌سازی می‌کرد. این مدل نشان داد که پایداری ساعت با غلظت بالاتر پروتئین‌ها بهبود می‌یابد که نشان می‌دهد چرا موجودات ممکن است برای حفظ زمان به طور قابل اعتماد، مقادیر زیادی از این مولکول‌ها را ذخیره کنند.

«سوبرامانیام» گفت: این مطالعه نشان می‌دهد که ما می‌توانیم اصول اساسی زمان‌بندی بیولوژیکی را با استفاده از سامانه‌های ساده شده و مصنوعی، بررسی و درک کنیم.

سلول‌های زمان‌بندی شده 

این مدل همچنین با نور، همگام‌ و روشن شد. این مطالعه نشان داد که در حالی که برخی اجزای ژنتیکی، به خصوص آنهایی که مسئول روشن و خاموش کردن ژن‌ها هستند، برای حفظ زمان در یک سلول منفرد ضروری نیستند، اما نقش حیاتی در همگام‌سازی ساعت‌ها در سراسر جمعیت بزرگتری از سلول‌ها ایفا می‌کنند.

«مینگ‌سو فنگ»(Mingxu Fang) استاد میکروبیولوژی در «دانشگاه اوهایو»(Ohio) گفت: ساعت «چرخه زیست‌شناختی» این باکتری‌ها به واکنش‌های زیست‌شیمیایی کندی متکی است که ذاتاً پر سر و صدا هستند. 

وی افزود: این مطالعه جدید روشی را برای مشاهده واکنش‌های بازسازی شده ساعت در «وزیکول‌هایی» با اندازه قابل تنظیم که ابعاد سلولی را تقلید می‌کنند، معرفی می‌کند. این ابزار قدرتمند امکان آزمایش مستقیم چگونگی و چرایی اتخاذ استراتژی‌های زمان‌بندی متمایز توسط موجودات با اندازه‌های سلولی متفاوت را فراهم می‌کند و از این رو درک ما از مکانیسم‌های زمان‌بندی بیولوژیکی در سراسر اشکال حیات را عمیق‌تر می‌کند.

این مطالعه فراتر از ارائه پنجره‌ای به نحوه مدیریت زمان توسط سلول‌ها، درهای جدیدی را در زیست‌شناسی مصنوعی باز می‌کند. توانایی مهندسی سامانه‌های مصنوعی با ساعت‌های داخلی قوی می‌تواند کاربردهای گسترده‌ای از طراحی داروهای خودتنظیم‌کننده که داروها را طبق یک برنامه زمان‌بندی شده آزاد می‌کنند تا ساخت ماشین‌های بیولوژیکی که همگام عمل می‌کنند یا به محرک‌های خارجی مانند نور یا دما واکنش می‌دهند، داشته باشد.

این یافته‌ها در مجله Nature Communications منتشر شده است.