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

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

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

El equipo centró su investigación en KaiC, la proteína reloj que regula el ritmo circadiano en las cianobacterias, una especie de bacteria que vive en todo tipo de agua y es común en las algas verdeazuladas (Figura 1, panel izquierdo). Estos relojes biológicos en los organismos consisten en proteínas (Figura 1, arriba a la derecha). El reloj circadiano de las cianobacterias es el reloj circadiano más simple en términos del número de sus componentes, pero sigue siendo un sistema muy complejo que puede dar pistas a los científicos sobre cómo funcionan todos los relojes circadianos. Las cianobacterias azuladas son microorganismos que se encuentran en ambientes que van desde agua dulce y salada hasta suelo y rocas. El equipo investigó la base estructural de la alosteria, los cambios complejos que ocurren en la forma y la actividad de la proteína KaiC en las cianobacterias (Figura 1, abajo a la derecha). El alosterio impulsa el reloj circadiano de las cianobacterias.

El equipo estudió las estructuras atómicas de la proteína reloj KaiC examinando miles de condiciones de cristalización. Este estudio detallado de las estructuras atómicas les permitió cubrir todo el ciclo de fosforilación, el proceso por el cual se transfiere un fosfato a la proteína (Figura 2, panel inferior). La fosforilación coopera con otro ciclo de reacción, la hidrólisis de ATP, que son eventos que consumen energía y determinan la frecuencia del reloj (Figura 2, panel superior). El sistema de hidrólisis de ATP por fosforilación actúa como un regulador de la actividad celular. Para ayudarlos a comprender la base del alosterio, cristalizaron la proteína KaiC en ocho estados diferentes, lo que les permitió observar la cooperatividad entre el ciclo de fosforilación y el ciclo de hidrólisis de ATP, que funcionaba como dos engranajes (Figura 2).

En el pasado, los científicos han estudiado el ciclo del fósforo de la proteína KaiC en vivo, in vitroy en silico. Poco se sabía acerca de cómo la alosteria regula el ciclo del fósforo en KaiC.

Al examinar el KaiC en los ocho estados diferentes, el equipo pudo observar un acoplamiento que se produce en el ciclo del fósforo y el ciclo de hidrólisis de la ATPasa. Este acoplamiento de los dos engranajes impulsa el reloj circadiano de las cianobacterias.

«Debido a que las proteínas están formadas por una gran cantidad de átomos, no es fácil comprender los mecanismos de sus funciones complicadas pero ordenadas. Tenemos que seguir con paciencia los cambios estructurales de las proteínas», dijo Yoshihiko Furuike, profesor asistente en el Departamento de Ciencias Moleculares de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales.

La proteína KaiC activa y desactiva rítmicamente de forma autónoma los ciclos de reacción para regular los estados de ensamblaje de otras proteínas relacionadas con el reloj. Mientras el equipo reflexiona sobre sus próximos pasos, podrían usar la biología estructural para descubrir los mecanismos atómicos de aceleración y desaceleración de las rotaciones de engranajes. «Nuestro objetivo es ver todas las proteínas del reloj de las cianobacterias a nivel atómico durante la oscilación y describir el momento en que el ritmo ordenado emerge de la dinámica atómica caótica», dijo Furuike.

Su trabajo puede servir como herramienta de investigación y ayudar a los científicos a comprender mejor los mecanismos que intervienen en el ciclo del reloj circadiano. De cara al futuro, el equipo de investigación puede ver que sus hallazgos tendrán aplicaciones más amplias. Mamíferos, insectos, plantas y bacterias tienen sus propias proteínas de reloj con diferentes secuencias y estructuras. «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 Furuike.

Los autores de la publicación incluyen a Yoshihiko Furuike, Shuji Akiyama, Instituto de Ciencias Moleculares, Institutos Nacionales de Ciencias Naturales, Okazaki, Japón.

Además de investigadores del Instituto de Ciencias Moleculares, el equipo también 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 for Scientific Research.


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