Den biologiska klockan upprätthåller en 24-timmarscykel genom att ändra genernas funktion i varma förhållanden.

Forskare under ledning av Gen Kurosawa vid RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS) i Japan har använt teoretisk fysik för att upptäcka hur vår biologiska klocka upprätthåller en stabil 24-timmarscykel även när temperaturen ändras.

De fann att denna stabilitet uppnås genom en subtil förändring i "formen" på genaktivitetsrytmer vid högre temperaturer, en process som kallas vågformsförvrängning. Denna process hjälper inte bara till att hålla tiden korrekt, utan påverkar också hur väl våra interna klockor synkroniseras med dag-nattcykeln. Studien publiceras i tidskriften PLOS Computational Biology.

Har du någonsin undrat hur din kropp vet när den ska sova eller vakna? Svaret är enkelt: Din kropp har en biologisk klocka som går ungefär 24 timmar om dygnet. Men eftersom de flesta kemiska reaktioner accelererar när temperaturen stiger har det varit ett mysterium hur kroppen kompenserar för temperaturförändringar under året – eller till och med när vi rör oss mellan sommarvärmen utomhus och svalkan i luftkonditionerade rum.

Den biologiska klockan fungerar genom cykliska fluktuationer i nivåerna av mRNA – de molekyler som kodar för proteinproduktion – som uppstår när vissa gener rytmiskt slås på och av. Precis som en pendels rörelse kan beskrivas med en matematisk sinusvåg, som stiger och faller smidigt, kan rytmen för mRNA-produktion och -avklingning representeras av en oscillerande våg.

Kurosawas team vid RIKEN iTHEMS, tillsammans med kollegor vid YITP Kyoto University, tillämpade metoder från teoretisk fysik för att analysera de matematiska modeller som beskriver dessa rytmiska svängningar av mRNA. I synnerhet använde de renormaliseringsgruppmetoden, ett kraftfullt verktyg från fysiken som gör det möjligt att extrahera viktiga, långsamt föränderliga dynamiska processer från mRNA:s rytmsystem.

Analysen visade att när temperaturen ökade steg mRNA-nivåerna snabbare och sjönk långsammare, men cykelns varaktighet förblev konstant. På ett diagram såg denna rytm vid höga temperaturer ut som en förvrängd, asymmetrisk våg.

För att testa de teoretiska slutsatserna i levande organismer analyserade forskarna experimentella data från fruktflugor och möss. Vid förhöjda temperaturer uppvisade dessa djur faktiskt de förutspådda vågformsförvrängningarna, vilket bekräftade den teoretiska modellens riktighet.

Forskarna drar slutsatsen att vågformsförvrängning är nyckeln till temperaturkompensation i den biologiska klockan, särskilt för att bromsa minskningen av mRNA-nivåer med varje cykel.

Teamet fann också att vågformsförvrängning påverkar den inre klockans förmåga att synkronisera med externa signaler, såsom ljus och mörker. Analysen visade att med större vågformsförvrängning är klockan stabilare och mindre påverkad av externa signaler.

Denna teoretiska slutsats sammanföll med experimentella observationer hos flugor och svampar och är viktig eftersom oregelbundna ljus-mörkercykler har blivit en del av det moderna livet för de flesta människor.

"Våra resultat visar att vågformsförvrängning är en avgörande faktor för hur den biologiska klockan förblir korrekt och synkroniserad, även när temperaturen förändras", säger Kurosawa.

Han tillägger att framtida forskning skulle kunna fokusera på att identifiera de molekylära mekanismer som bromsar minskningen av mRNA-nivåer och orsakar vågformsförvrängningen. Forskarna hoppas också kunna studera hur denna förvrängning varierar mellan arter eller till och med individer, eftersom ålder och individuella skillnader kan påverka den biologiska klockans funktion.

”På lång sikt”, konstaterar Kurosawa, ”skulle graden av vågformsförvrängning i klockgener kunna bli en biomarkör för att bättre förstå sömnstörningar, jetlag och åldrandets effekter på den inre klockan. Det skulle också kunna avslöja universella rytmmönster – inte bara inom biologin utan i alla system med upprepade cykler.”