Desbloquear el funcionamiento complejo del reloj biológico

Los científicos quieren aumentar su comprensión de los ritmos circadianos, esos ciclos de reloj biológico interno de 24 horas de sueño y vigilia que ocurren en los organismos, desde humanos hasta plantas, hongos y bacterias. Un equipo de investigación ha examinado 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 de la ciencia.

El equipo centró su investigación en KaiC, la proteína del reloj que regula el ritmo circadiano en las cianobacterias, un tipo de bacteria que vive en todo tipo de agua y que a menudo se encuentra en las algas verdeazuladas. Estos relojes biológicos en los organismos están compuestos de proteínas. El reloj circadiano de cianobacterias es el reloj circadiano más simple en cuanto al 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 azuladas son microorganismos que se pueden encontrar en ambientes que van desde aguas saladas y dulces hasta suelos y rocas. El equipo examinó la base estructural de la alosteria, los cambios complejos que se producen en la forma y la actividad de la proteína KaiC en las cianobacterias. La alostería impulsa el reloj circadiano de las cianobacterias.

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 en el que 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 los eventos que consumen energía y determinan la velocidad del reloj (Figura 2, panel superior). El sistema de fosforilación-hidrólisis de ATP funciona como un regulador de la actividad celular. Para ayudarlos a comprender la base del alosterio, cristalizaron la proteína KaiC en ocho estados distintos, lo que les permitió observar la cooperatividad entre el ciclo de fosforilación y el ciclo de hidrólisis de ATP que funcionan como dos engranajes (Figura 2, derecha).

En el pasado, los científicos han estudiado el ciclo del fósforo de la proteína KaiC in vivo, in vitro e in silico. Sin embargo, se sabía poco acerca de cómo el alosterio regula el ciclo del fósforo en KaiC.

Al estudiar el KaiC en los 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 acoplamiento de los dos engranajes impulsa el reloj circadiano de cianobacterias.

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

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

Su trabajo puede servir como herramienta de investigación, ayudando 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 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 varios organismos», dijo Furuike.