Os ritmos circadianos bacterianos , como outros ritmos circadianos, são endógenos .
Descobertos recentemente, eles são uma manifestação do que chamamos de relógio circadiano , ou relógio biológico ou relógio interno .
A coordenação e otimização temporal dos processos biológicos e adaptação às flutuações diárias desempenham um papel importante na sobrevivência da maioria dos organismos.
Até meados dos anos 1980 , acreditava-se que apenas as células eucarióticas se beneficiavam de um ritmo circadiano endógeno, mas as cianobactérias (bactérias fotossintéticas do filo Eubacteria ) também mostraram ter um sistema de ritmo biológico endógeno atendendo aos três critérios do circadiano ritmo (veja abaixo).
Nessas bactérias , três proteínas- chave cujas estruturas agora são conhecidas podem formar o equivalente a um relógio molecular controlando ou orquestrando a expressão global de genes e que podem - mesmo in vitro (desde que ATP esteja disponível) - se comportar como um " oscilador ".
Esse sistema permite que essas bactérias se adaptem melhor aos grandes ritmos ambientais que caracterizam os ecossistemas expostos aos ciclos diurno / noturno.
Para o biólogo , um "verdadeiro" ritmo circadiano deve (dentro dos limites normais do ambiente natural do organismo) apresentar três características:
Os procariontes são capazes de ritmicidade circadiana? Antes de meados da década de 1980, isso parecia improvável, em particular porque não estava claro como um ritmo endógeno e em particular um periodismo de 12 ou 24 horas seriam úteis para espécies aparentemente tão "simples" e primitivas, tanto quanto no ideal. condições, eles são capazes de se reproduzir várias vezes ao dia. Em outras palavras: "Por que ter um relógio interno indicando um tempo e um ciclo mais longos que seu ciclo de vida?" “ Este problema realmente não tem significado, porque essas bactérias são unicelulares e se reproduzem essencialmente por divisão simples e não por reprodução sexual .
Na verdade, uma grande população de bactérias pode ser comparada a um protoplasma em crescimento e, às vezes, até considerada um " superorganismo "; neste contexto, um programa temporal de 12 ou 24 horas pode realmente melhorar o ajuste dessas bactérias em um ambiente rítmico pelas variações dia / noite e mudanças de temperatura e intensidade de luz. Os últimos são de fato particularmente importantes para bactérias fotossintéticas .
Em de 1985, - 86 , várias equipas científicas descoberto em cianobactérias ritmos diários de fixação de azoto , invariante em condições de luz constante ou escuridão constante.
Huang e seus colegas foram os primeiros a demonstrar na cianobactéria Synechococcus sp . Ritmos circadianos RF-1 (bactérias que vivem em água doce ) . Em artigos publicados a partir de 1986, as três principais características dos ritmos circadianos foram descritas em um único organismo. Outro estudo fundamental é o de Sweeney e Borgese. esta equipe também foi a primeira a demonstrar a compensação de temperatura de um ritmo diário na cianobactéria marinha, Synechococcus WH7803.
Naquela época, apenas dois genes “circadianos” podiam ser caracterizados; o primeiro foi responsável por um período em Drosophila e o segundo foi responsável por uma frequência em Neurospora crassa . Outro gene foi identificado um ano depois na mosca, vários anos antes de um primeiro gene ser descoberto em um mamífero. Na década de 1980, ainda se poderia pensar que todas as formas de vida usavam o mesmo mecanismo de relógio interno, já que todas as espécies conhecidas usam ATP para armazenamento de energia e DNA para armazenamento de grandes quantidades de energia, parte da informação genética. Na verdade, não é, e a evolução, a cada reinado, parece ter desenvolvido soluções diferentes.
No início da década de 1990, havia uma cepa geneticamente modificada da cianobactéria Synechococcus elongatus inserindo-a em um gene da luciferase . Esse gene possibilitou acompanhar temporal e quantitativamente, com grande precisão e de forma “não invasiva” , a expressão dos “genes do ritmo” (que neste caso faziam as células “brilharem” ritmicamente quando ali se expressavam )
Esse sistema possibilitou medir os ritmos biológicos de populações inteiras ou de cianobactérias isoladas.
Os ritmos de luminescência expressos por essas bactérias S. elongatus geneticamente modificadas responderam bem aos três critérios essenciais dos ritmos circadianos : a persistência de uma oscilação de 24 horas (sob condições constantes), compensação de temperatura e um efeito cronobiológico .
O estudo de laboratório de várias espécies de Synechococcus estabeleceu firmemente que as bactérias procarióticas são capazes de ritmicidade circadiana, ao contrário do dogma de que apenas os eucariotos são dotados dela. Além disso, as células de uma variedade de cianobactérias mantêm seu ritmo de maneira estável por várias gerações, mesmo sob constante luz fraca. No entanto, ainda faltam evidências convincentes da existência de "programas" circadianos semelhantes e inatos em outras bactérias além das cianobactérias; é possível que apenas as bactérias fotossintéticas tenham desenvolvido essa habilidade devido à sua dependência (para a fotossíntese) da luz. No entanto, genes que desempenham funções semelhantes talvez possam existir em outros grupos de micróbios e bactérias.
Apesar das afirmações preditivas de que o relógio circadiano não é expresso por células que se duplicam mais frequentemente do que uma vez em 24 horas, a cronicidade é mantida em cianobactérias criadas em boas condições em culturas que crescem rápido o suficiente para dobrar a cada 5-6 horas.
Essas bactérias são mesmo aparentemente capazes de levar em conta simultaneamente e com precisão dois processos de sincronização configurados em períodos muito diferentes.
Uma questão importante era se este "cronômetro endógeno" circadiano pode melhorar a aptidão de organismos que crescem em condições naturais.
Geralmente, acredita-se que os relógios circadianos podem melhorar a capacidade dos organismos de se adaptarem ao meio ambiente, melhorando sua capacidade de adaptação aos principais fatores ambientais, como os ciclos diurnos e noturnos. Na realidade, não parecia ter havido testes rigorosos para apoiar esta hipótese (para este tipo de organismo em particular).
Nos anos 2000, procuramos testar um possível valor adaptativo das cianobactérias fornecidas com os relógios endógenos mais precisos. Um experimento consistiu em cultivar uma mistura de diferentes cepas de cianobactérias caracterizadas por diferentes propriedades circadianas (algumas exibiam forte ritmicidade e outras arritmicidade, os períodos do ritmo também variavam). Esta mistura foi cultivada em um ambiente que permitia a competição entre as diferentes linhagens, em diferentes condições ambientais.
A ideia era ver se as bactérias com um relógio circadiano funcionando eram favorecidas.
O resultado foi que as cepas possuindo um relógio biológico funcional competiam efetivamente com as cepas “arrítmicas”, mas apenas em ambientes caracterizados por iluminação rítmica (por exemplo, cultura iluminada por 12 h, depois mantida no escuro por 12 he assim por diante).
Por outro lado ; em um ambiente "constante" (por exemplo, meio de cultura mantido sob luz artificial ininterrupta), as cepas rítmicas e arrítmicas se reproduziram em uma taxa comparável.
Da mesma forma, dentro do grupo de cepas que exibem ritmo cronobiológico, mas com períodos diferentes, aquelas cujo "período" endógeno melhor correspondeu ao período do ciclo de iluminação suplantaram as cepas cuja duração não correspondeu àquela desse ambiente. Portanto, em ambientes fortemente "rítmicos" como os sujeitos aos ciclos solar e lunar, a capacidade de sobrevivência das cianobactérias parece realmente melhorar quando seu relógio interno está ativo e ainda mais quando seu período circadiano é semelhante ao do ciclo. o ambiente. Esse experimento foi um dos primeiros a demonstrar uma vantagem seletiva conferida a uma espécie por um relógio interno circadiano, mesmo para organismos de crescimento rápido que se dividem mais de uma vez por dia.
Em eucariotos, 10-20% dos genes são ativados ritmicamente (como mostrado por variações cíclicas na abundância de mRNA). No entanto, nas cianobactérias, uma parcela muito maior de genes é controlada pelo relógio circadiano bacteriano.
Bactérias S. elongatus geneticamente modificadas pela adição de um gene de luciferase têm sido usadas para pesquisar mutações no (s) gene (s) responsável (is) pelo relógio interno, muitos dos quais parecem ter sido isolados. No final da década de 1990, o estudo de cepas mutantes possibilitou a identificação de um grupo de três genes, denominados kaiA, kaiB e kaiC; “Kai” significa “rotação” ou “ciclo numérico” em japonês. Esses genes codificam as proteínas Kaia, Kaib e Kaic, que se mostraram essenciais para a função de "relógio interno" de S. elongatus . Eles constituem o coração do oscilador circadiano bacteriano.
Nenhuma similaridade significativa foi encontrada entre esses genes kai e qualquer outro gene já identificado em eucariotos, mas existem homólogos potenciais nas sequências genômicas de outras bactérias (tanto em eubactérias quanto em Archaea ).
Acreditou-se primeiro que o mecanismo de relógio interno das cianobactérias era um loop de feedback e tradução semelhante à transcrição, onde as proteínas do relógio auto-regulam a atividade de seus próprios promotores por meio de um processo semelhante (do ponto de vista da visão do conceito) para o sistema responsável por relógios circadianos em eucariotos.
Mais tarde, vários grupos de pistas sugeriram que a transcrição e a tradução não eram necessárias para que os ritmos circadianos das proteínas Kai fossem expressos. A pista mais dramática é que as três proteínas “Kai” purificadas podem reconstituir uma oscilação circadiana compensada pela temperatura em um tubo de ensaio.
A taxa que é observável e que pode ser medida in vitro é a do estado de fosforilação da proteína conhecida como KaiC. Este é o primeiro (e até agora o único) exemplo de uma reconstrução in vitro de um relógio circadiano.
Até o momento, o sistema circadiano das cianobactérias é o único sistema circadiano no qual a estrutura da proteína envolvida é conhecida e reproduzível. As estruturas de cada uma das três proteínas "Kai" (que significa ciclo em japonês) de Synechococcus elongatus foram determinadas por análise cristalográfica e análise de cepas mutadas.
O conhecimento dessas estruturas tridimensionais, no entanto, tem sido útil para elucidar o mecanismo básico do relógio cianobacteriano, fornecendo modelos concretos de como as três proteínas Kai (A, B e C) poderiam interagir e influenciar umas às outras.
Uma abordagem estrutural também permitiu que o complexo proteico KaiA / KaiB / KaiC fosse compreendido e visualizado em função do tempo, o que possibilitou a modelagem matemática sofisticada da taxa de fosforilação in vitro.
Os componentes do relógio interno das cianobactérias e suas interações podem, portanto, agora ser visualizados em quatro dimensões (três no espaço, a outra representando o tempo), o que talvez também pudesse abrir perspectivas para computadores biológicos ou uma compreensão refinada dos distúrbios discretos da iluminação artificial no fenômeno conhecido como "poluição luminosa".
Desde o final da década de 1990, o conhecimento dos componentes do relógio interno de algumas espécies bacterianas fotossintéticas (cianobactérias) e a compreensão e modelagem de suas interações avançou muito. Em uma das bactérias estudadas, esses mecanismos agora podem ser visualizados em quatro dimensões (três no espaço, a outra representando o tempo), o que também pode abrir novas perspectivas, por exemplo: