Los científicos quieren aumentar su comprensión de los ritmos circadianos, esos ciclos biológicos internos de sueño y vigilia de 24 horas que ocurren en los organismos, desde humanos hasta plantas, hongos y bacterias. Un equipo de investigación ha examinado los procesos complejos de las cianobacterias y ahora puede comprender mejor qué impulsa su reloj biológico.

El equipo, dirigido por investigadores del Instituto de Ciencias Moleculares y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Okazaki, Japón, publicó sus hallazgos el 15 de abril de 2022 en progreso de la ciencia.

El equipo centró su investigación en KaiC, la proteína reloj que regula el ritmo circadiano en las cianobacterias, un tipo de bacteria que vive en todas las aguas y se encuentra a menudo en las algas verdeazuladas (Fig. 1, panel izquierdo). Estos relojes biológicos en los organismos vivos están compuestos de proteínas (Fig. 1, panel superior derecho). El reloj biológico bacteriano azul es el reloj biológico más simple en términos del número de sus componentes, pero sigue siendo un sistema muy complejo que puede proporcionar a los científicos pistas sobre el funcionamiento de todos los relojes circadianos. Las cianobacterias son microorganismos que se pueden encontrar en ambientes que van desde agua salada y dulce hasta suelo y roca. El equipo examinó la base estructural de la contaminación y los cambios complejos que ocurren en la forma y la actividad de la proteína KaiC en las cianobacterias (Fig. 1, panel inferior derecho). Alostery lidera el reloj circadiano azul bacteriano.

El equipo estudió las estructuras atómicas de la proteína del reloj KaiC examinando miles de condiciones de cristalización. Este estudio detallado de las estructuras atómicas les permitió cubrir el ciclo de fosforilación general, ese proceso por el cual el fosfato se transfiere a la proteína (Fig. 2, panel inferior). La fosforilación coopera con otro ciclo de reacción, la hidrólisis de ATP, que son los eventos que consumen energía y determinan la velocidad del reloj (Fig. 2, panel superior). El sistema de hidrólisis de ATP-fosforilación actúa como un regulador de la actividad celular. Para ayudarlos a comprender la base de la homología, cristalizaron la proteína KaiC en ocho estados distintos, lo que les permitió observar la cooperación entre el ciclo de fosforilación y el ciclo de hidrólisis de ATP actuando como un cotiledón (Fig.

Los científicos han estudiado previamente el ciclo del fósforo de la proteína KaiC en vivoY en el laboratorioY en silico. Sin embargo, se sabía poco sobre cómo KaiC regula el ciclo del fósforo de KaiC.

Al estudiar KaiC en ocho estados distintos, el equipo pudo observar un acoplamiento que ocurre en el ciclo del fósforo y el ciclo de hidrólisis de la ATPasa. Este emparejamiento de los dos engranajes impulsa el reloj circadiano de las cianobacterias.

Dado que las proteínas están compuestas por una gran cantidad de átomos, no es fácil comprender los mecanismos de sus funciones complejas pero ordenadas. “Necesitamos rastrear con paciencia los cambios estructurales en las proteínas”, dijo Yoshihiko Furwick, profesor asociado del Instituto de Ciencias Moleculares de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales.

KaiC activa y desactiva rítmicamente los ciclos de reacción para regular los estados de ensamblaje de otras proteínas relacionadas con el reloj. Entonces, al pensar en sus próximos pasos, el equipo podría usar la biología estructural para revelar los mecanismos atómicos de aceleración y desaceleración del giro de los engranajes. “Nuestro objetivo es ver todas las proteínas del reloj azul bacteriano durante la oscilación a nivel atómico y describir el momento en el que surge el ritmo regulado de la dinámica atómica caótica”, dijo Furwick.

Su trabajo podría servir como una herramienta de investigación que ayude a los científicos a comprender mejor los mecanismos que operan en el ciclo del reloj circadiano. Mirando hacia el futuro, el equipo de investigación puede ver que sus hallazgos tienen aplicaciones más amplias. Mamíferos, insectos, plantas y bacterias tienen sus propias proteínas de reloj con secuencias y estructuras distintas. “Sin embargo, la lógica detrás de la relación entre la dinámica de KaiC y las funciones del reloj se puede aplicar a otros estudios en diferentes organismos”, dijo Furwick.

Los autores del artículo incluyen a Yoshihiko Furuiki, Shuji Akiyama, el Instituto de Ciencias Moleculares y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales, Okazaki, Japón.

Además de investigadores del Instituto de Ciencias Moleculares, el otro equipo incluye investigadores de SOKENDAI, la Universidad de Graduados de Estudios Avanzados; Escuela de Graduados en Ciencias e Instituto de Estudios Avanzados, Universidad de Nagoya; y el Instituto de Investigación de Proteínas de la Universidad de Osaka. Su trabajo fue financiado por Grants-in-Aid Scientific Research.