De bakterielle døgnrytmen , ligesom andre døgnrytme er endogene .
For nylig opdaget er de en manifestation af det, vi kalder døgnrytgeur eller biologisk ur eller internt ur .
Koordinering og tidsmæssig optimering af biologiske processer og tilpasning til daglige udsving spiller en vigtig rolle i overlevelsen af de fleste organismer.
Indtil midten af 1980'erne blev det antaget, at kun eukaryote celler havde gavn af en endogen døgnrytme, men cyanobakterier (fotosyntetiske bakterier af phylum Eubacteria ) har siden vist sig at have et rytmesystem. rytme (se nedenfor).
I disse bakterier kan tre nøgleproteiner , hvis strukturer nu er kendt, danne det ækvivalente med et molekylært ur, der styrer eller orkestrerer den globale ekspression af gener, og som kan - selv in vitro (forudsat ATP er tilgængelig) - opføre sig som en " oscillator ".
Dette system gør det muligt for disse bakterier bedre at matche de store miljørytmer, der karakteriserer økosystemer udsat for dag / nat-cyklusser.
For biologen skal en "ægte" døgnrytme (inden for de normale grænser for organismens naturlige miljø) have tre karakteristika:
Er prokaryoter i stand til cirkadisk rytmicitet? Før midten af 1980'erne syntes dette usandsynligt, især fordi det ikke var klart, hvordan en endogen rytme og især en periodisme på 12 eller 24 timer ville være nyttigt for arter, der tilsyneladende var "enkle" og primitive, lige så meget som ideelle forhold er de i stand til at reproducere flere gange om dagen. Med andre ord: "Hvorfor har et internt ur, der angiver en tid og en cyklus, længere end dens livscyklus?" " Dette spørgsmål har egentlig ingen betydning, fordi disse bakterier er encellede og i det væsentlige reproduceres ved simpel opdeling og ikke via seksuel reproduktion .
Faktisk kan en stor bakteriepopulation sammenlignes med et voksende protoplasma , undertiden endda betragtet som en " superorganisme "; i denne sammenhæng kan et tidsmæssigt program på 12 eller 24 timer faktisk forbedre tilpasningen af disse bakterier i et rytmisk miljø ved dagvariationer / nat og ændringer i temperatur og lysintensitet. Sidstnævnte er faktisk særligt vigtige for fotosyntetiske bakterier .
I 1985 - 86 , flere forskerhold opdaget i cyanobakterier døgnrytmer kvælstoffiksering , invariant under betingelser med konstant lys eller konstant mørke.
Huang og hans kolleger var de første til at demonstrere i cyanobakterierne Synechococcus sp . RF-1 (bakterier, der lever i ferskvand ) cirkadiske rytmer . I artikler offentliggjort fra 1986 er de tre hovedkarakteristika ved døgnrytme blevet beskrevet i en enkelt organisme. En anden grundlæggende undersøgelse er Sweeney og Borgese. dette hold var også det første til at demonstrere temperaturkompensation af en daglig rytme i den marine cyanobakterie, Synechococcus WH7803.
På det tidspunkt kunne kun to "cirkadiske" gener karakteriseres; den første var ansvarlig for en periode i Drosophila og den anden var ansvarlig for en frekvens i Neurospora crassa . Et andet gen blev identificeret et år senere i fluen, flere år før et første gen blev opdaget i et pattedyr. I 1980'erne kunne det stadig tænkes, at alle livsformer brugte den samme interne urmekanisme, da alle kendte arter bruger ATP til energilagring og DNA til lagring af store mængder energi, en del af genetisk information. Faktisk er det ikke, og evolution synes inden for hver regering at have udviklet forskellige løsninger.
I begyndelsen af 1990'erne var der en genetisk modificeret stamme af cyanobacterium Synechococcus elongatus ved at indsætte den i et gen af luciferase . Dette gen gjorde det muligt at følge temporalt og kvantitativt med stor præcision og på en "ikke-invasiv" måde ekspressionen af "rytmegener" (som i dette tilfælde fik cellerne til at "skinne" rytmisk, når de blev udtrykt der) ).
Dette system gjorde det muligt at måle de biologiske rytmer i hele populationer eller isolerede cyanobakterier.
De luminescens rytmer udtrykkes af disse genetisk modificerede S. elongatus bakterier reagerede godt på de tre væsentlige kriterier for døgnrytmer : den persistens af en 24-timers svingning (under konstante betingelser), temperaturkompensation og en kronbiologiske virkning .
Laboratorieundersøgelsen af forskellige arter af Synechococcus har fastslået, at prokaryote bakterier er i stand til døgnrytme, i modsætning til dogmen, at kun eukaryoter er udstyret med det. Derudover opretholder celler af en stamme af cyanobakterier deres rytme stabilt over flere generationer, selv under konstant svagt lys. Imidlertid mangler stadig overbevisende beviser for eksistensen af lignende og medfødte døgnrytme "programmer" i andre bakterier end cyanobakterier; det er muligt, at kun fotosyntetiske bakterier har udviklet denne færdighed på grund af deres afhængighed (for fotosyntese) af lys. Ikke desto mindre kunne gener, der spiller lignende funktioner, måske eksistere i andre grupper af mikrober og bakterier.
På trods af forudsigelige påstande om, at det cirkadiske ur ikke udtrykkes af celler, der duplikeres oftere end én gang i løbet af 24 timer, opretholdes kronikken i cyanobakterier rejst under gode forhold i kulturer, der vokser hurtigt nok til at fordobles hver 5-6 time.
Disse bakterier er endda tilsyneladende i stand til at tage højde for samtidigt og med præcision to synkroniseringsprocesser, der er sat over meget forskellige perioder.
Et vigtigt spørgsmål var, om dette cirkadiske "endogene kronometer" kan forbedre egnetheden hos organismer, der vokser under naturlige forhold.
Det antages generelt, at cirkadiske ure kan forbedre organismernes evne til at tilpasse sig miljøet ved at forbedre deres evne til at tilpasse sig vigtige miljøfaktorer såsom dag-nat-cyklusser. I virkeligheden syntes der ikke at have været strenge tests for at understøtte denne hypotese (især for denne type organisme).
I 2000'erne forsøgte vi at teste en mulig adaptiv værdi af cyanobakterier forsynet med de mest præcise endogene ure. Et eksperiment bestod af at dyrke en blanding af forskellige stammer af cyanobakterier karakteriseret ved forskellige døgnrytmeegenskaber (nogle udviste stærk rytmicitet og andre arytmicitet, rytmeperioderne varierede også). Denne blanding blev dyrket i et miljø, der tillod konkurrence mellem de forskellige stammer under forskellige miljøforhold.
Ideen var at se, om bakterier med et fungerende døgnur blev begunstiget.
Resultatet var, at stammerne, der havde et funktionelt biologisk ur, effektivt konkurrerede med de "arytmiske" stammer, men kun i miljøer præget af rytmisk belysning (for eksempel kultur tændt i 12 timer og derefter holdt i mørket i 12 timer og så videre).
Omvendt; i et "konstant" miljø (fx kulturmedium opretholdt under uafbrudt kunstigt lys) reproduceres de rytmiske og arytmiske stammer med en sammenlignelig hastighed.
Ligeledes inden for gruppen af stammer, der udviser en kronobiologisk rytme, men med forskellige perioder, fortrængte de, hvis endogene "periode" bedst svarede til perioden med lyscyklussen, de stammer, hvis varighed ikke svarede til dette miljø. Derfor synes stærkt "rytmiske" miljøer som dem, der udsættes for sol- og månecyklusser, evnen til at overleve af cyanobakterier virkelig forbedres, når deres interne ur er aktivt og endnu mere, når deres døgnperiode svarer til cyklusens. miljøet. Dette eksperiment var et af de første, der demonstrerede en selektiv fordel, som en art tildeles af et cirkadisk internt ur, selv for hurtigt voksende organismer, der deler sig mere end en gang om dagen.
I eukaryoter aktiveres 10-20% af generne rytmisk (som vist ved cykliske variationer i mRNA-overflod). Imidlertid kontrolleres en meget højere andel af gener i cyanobakterier af det bakterielle døgnryggeur.
S. elongatus- bakterier, der er genetisk modificeret ved tilsætning af et luciferase-gen, er blevet brugt til at søge efter mutationer i det eller de gen, der er ansvarlige for det interne ur, hvoraf mange ser ud til at være isoleret. I slutningen af 1990'erne gjorde undersøgelsen af mutante stammer det muligt at identificere en gruppe på tre gener, kaldet kaiA, kaiB og kaiC; "Kai" betyder "rotation" eller "talcyklus" på japansk. Disse gener koder for Kaia-, Kaib- og Kaic-proteinerne, som har vist sig at være essentielle for den "interne ur" -funktion af S. elongatus . De udgør hjertet af den bakterielle cirkadiske oscillator.
Der blev ikke fundet nogen signifikant lighed mellem disse kai- gener og ethvert andet gen, der allerede er identificeret i eukaryoter, men der er potentielle homologer i de genomiske sekvenser af andre bakterier (både i eubakterier og i Archaea ).
Det blev først antaget, at den interne urværkmekanisme af cyanobakterier var en transkriptionslignende feedback-loop og translation, hvor urproteinerne selvregulerer aktiviteten af deres egne promotorer via en lignende proces (set fra synspunktet til konceptet) til systemet. ansvarlig for cirkadiske ure i eukaryoter.
Senere foreslog flere klynger af ledetråde, at transkription og translation ikke var nødvendige for, at Kai-proteinernes døgnrytme kunne udtrykkes. Den mest dramatiske anelse er, at de tre oprensede "Kai" -proteiner kan rekonstituere en temperaturkompenseret cirkadisk svingning i et reagensglas.
Den hastighed, der kan observeres, og som kan måles in vitro, er den for tilstanden for phosphorylering af proteinet kaldet KaiC. Dette er det første (og hidtil eneste) eksempel på en in vitro- rekonstruktion af et døgnrydsur.
Til dato er det cirkadiske system af cyanobakterier unikt, idet det er det eneste cirkadiske system, hvor den involverede proteinstruktur er kendt og reproducerbar. Strukturerne af hvert af de tre "Kai" -proteiner (hvilket betyder cyklus på japansk) af Synechococcus elongatus blev bestemt ved krystallografisk analyse og analyse af muterede stammer.
Kendskab til disse tredimensionelle strukturer har ikke desto mindre været nyttigt til at belyse den grundlæggende mekanisme for det cyanobakterielle ur og give konkrete modeller for, hvordan de tre Kai-proteiner (A, B og C) kunne interagere og påvirke hinanden.
En strukturel tilgang tillod også, at KaiA / KaiB / KaiC-proteinkomplekset kunne forstås og visualiseres som en funktion af tiden, hvilket muliggjorde sofistikeret matematisk modellering af fosforyleringshastigheden in vitro.
Komponenterne i det indre ur af cyanobakterier og deres interaktioner kan derfor nu visualiseres i fire dimensioner (tre i rummet, den anden repræsenterer tid), som måske også kunne åbne perspektiver for biologiske computere eller en raffineret forståelse af de diskrete forstyrrelser ved kunstig belysning i fænomenet kendt som "lysforurening".
Siden slutningen af 1990'erne har viden om komponenterne i det indre ur af nogle få fotosyntetiske bakteriearter (cyanobakterier) og forståelsen og modelleringen af deres interaktioner forbedret sig meget. I en af de undersøgte bakterier kan disse mekanismer nu visualiseres i fire dimensioner (tre i rummet, den anden repræsenterer tid), hvilket også kunne åbne nye perspektiver, for eksempel: