นาฬิกาชีวภาพรักษาวงจร 24 ชั่วโมงโดยการเปลี่ยนแปลงการทำงานของยีนในสภาพอากาศอบอุ่น

นักวิจัยที่นำโดยเก็น คุโรซาวะจากศูนย์ RIKEN สำหรับวิทยาศาสตร์เชิงทฤษฎีและคณิตศาสตร์สหวิทยาการ (iTHEMS) ในประเทศญี่ปุ่นได้ใช้ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเพื่อค้นพบว่านาฬิกาชีวภาพของเรารักษารอบ 24 ชั่วโมงที่เสถียรได้อย่างไร แม้ว่าอุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงก็ตาม

พวกเขาพบว่าเสถียรภาพนี้เกิดขึ้นได้จากการเปลี่ยนแปลง "รูปร่าง" ของจังหวะการทำงานของยีนเพียงเล็กน้อยที่อุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการบิดเบือนรูปคลื่น กระบวนการนี้ไม่เพียงแต่ช่วยให้เวลาแม่นยำเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อการที่นาฬิกาภายในร่างกายของเราซิงค์กับวัฏจักรกลางวัน-กลางคืนได้ดีเพียงใด การศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารPLOS Computational Biology

คุณเคยสงสัยไหมว่าร่างกายของคุณรู้ได้อย่างไรว่าควรนอนหรือตื่นเมื่อใด คำตอบนั้นง่ายมาก ร่างกายของคุณมีนาฬิกาชีวภาพที่เดินเป็นรอบประมาณ 24 ชั่วโมง แต่เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่มักจะเร็วขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น จึงเป็นปริศนาว่าร่างกายจะชดเชยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิตลอดทั้งปีได้อย่างไร หรือแม้แต่เมื่อเราเปลี่ยนจากอากาศร้อนอบอ้าวของฤดูร้อนมาสู่ความเย็นสบายในห้องปรับอากาศ

นาฬิกาชีวภาพทำงานโดยความผันผวนเป็นวัฏจักรในระดับ mRNA ซึ่งเป็นโมเลกุลที่เข้ารหัสสำหรับการผลิตโปรตีน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อยีนบางชนิดเปิดและปิดเป็นจังหวะ เช่นเดียวกับการเคลื่อนที่ของลูกตุ้มที่สามารถอธิบายได้ด้วยคลื่นไซน์ทางคณิตศาสตร์ที่ขึ้นและลงอย่างราบรื่น จังหวะของการผลิตและการสลายตัวของ mRNA ก็สามารถแสดงได้ด้วยคลื่นสั่น

ทีมของคุโรซาวาที่ RIKEN iTHEMS พร้อมด้วยเพื่อนร่วมงานจาก YITP มหาวิทยาลัยเกียวโต ได้ประยุกต์ใช้วิธีการทางฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเพื่อวิเคราะห์แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายการสั่นแบบจังหวะของ mRNA โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกเขาใช้วิธีกลุ่มรีนอร์มัลไลเซชัน ซึ่งเป็นเครื่องมืออันทรงพลังทางฟิสิกส์ที่ช่วยให้สามารถแยกกระบวนการพลวัตที่สำคัญและเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ ออกจากระบบจังหวะ mRNA ได้

การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ระดับ mRNA จะเพิ่มขึ้นเร็วขึ้นและลดลงช้าลง แต่ระยะเวลาของหนึ่งรอบยังคงที่ บนกราฟ จังหวะนี้ที่อุณหภูมิสูงดูเหมือนคลื่นที่บิดเบี้ยวและไม่สมมาตร

เพื่อทดสอบข้อสรุปทางทฤษฎีในสิ่งมีชีวิต นักวิจัยได้วิเคราะห์ข้อมูลการทดลองกับแมลงวันผลไม้และหนู ที่อุณหภูมิสูง สัตว์เหล่านี้แสดงการบิดเบือนรูปคลื่นตามที่คาดการณ์ไว้ ซึ่งยืนยันความถูกต้องของแบบจำลองทางทฤษฎี

นักวิทยาศาสตร์สรุปว่าการบิดเบือนรูปคลื่นเป็นกุญแจสำคัญในการชดเชยอุณหภูมิในนาฬิกาชีวภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการชะลอการลดลงของระดับ mRNA ในแต่ละรอบ

ทีมวิจัยยังพบว่าความเพี้ยนของรูปคลื่นส่งผลต่อความสามารถของนาฬิกาชีวภาพในการซิงโครไนซ์กับสัญญาณภายนอก เช่น แสงสว่างและความมืด การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่ายิ่งมีความเพี้ยนของรูปคลื่นมาก นาฬิกาชีวภาพก็จะมีเสถียรภาพมากขึ้นและได้รับผลกระทบจากสัญญาณภายนอกน้อยลง

ข้อสรุปทางทฤษฎีนี้สอดคล้องกับการสังเกตการทดลองกับแมลงวันและเชื้อรา และมีความสำคัญ เนื่องจากวงจรแสง-มืดที่ไม่สม่ำเสมอได้กลายมาเป็นส่วนหนึ่งของชีวิตสมัยใหม่ของคนส่วนใหญ่แล้ว

“ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นว่าการบิดเบือนรูปคลื่นเป็นองค์ประกอบสำคัญในการที่นาฬิกาชีวภาพยังคงความแม่นยำและซิงโครไนซ์ได้ แม้ว่าอุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงก็ตาม” คุโรซาวา กล่าว

เขาเสริมว่าการวิจัยในอนาคตอาจมุ่งเน้นไปที่การระบุกลไกระดับโมเลกุลที่ชะลอการลดลงของระดับ mRNA และทำให้เกิดการบิดเบือนรูปคลื่น นักวิจัยยังหวังที่จะศึกษาว่าการบิดเบือนนี้มีความแตกต่างกันอย่างไรในแต่ละสายพันธุ์หรือแม้แต่แต่ละบุคคล เนื่องจากอายุและความแตกต่างของแต่ละบุคคลอาจส่งผลต่อการทำงานของนาฬิกาชีวภาพ

“ในระยะยาว” คุโรซาวาตั้งข้อสังเกต “ระดับความเพี้ยนของรูปคลื่นในยีนนาฬิกาอาจกลายเป็นตัวบ่งชี้ทางชีวภาพที่ช่วยให้เข้าใจความผิดปกติของการนอนหลับ อาการเจ็ตแล็ก และผลกระทบของอายุที่มีต่อนาฬิกาภายในได้ดียิ่งขึ้น นอกจากนี้ยังอาจเผยให้เห็นรูปแบบจังหวะสากล ไม่ใช่แค่ในทางชีววิทยา แต่ในระบบใดๆ ที่มีวัฏจักรซ้ำๆ กัน”