Hoe tikt de biologische klok?

Lang hebben onderzoekers gedacht dat bacteriën te simpel waren om ook dag- en-nacht ritmes te hebben. Het was daarom een grote verrassing toen bijna twintig jaar geleden bleek dat cyanobacteriën – een belangrijke groep bacteriën die hun energie uit zonlicht halen – wel degelijk eenzelfde soort biologische klok hebben als meercellige organismen. De klok in cyanobacteriën wordt gevormd door een biochemisch netwerk van drie op elkaar reagerende klokeiwitten, KaiA, KaiB en KaiC. KaiC wordt met een periode van een dag gefosforyleerd, een proces waarbij een eiwit gemerkt wordt met een fosfaatgroep. Alleen gedurende de nacht zijn de meeste KaiC-eiwitten gefosforyleerd en kan KaiC bijna alle activiteit in de cel stilleggen.

Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) en de VU hebben nu een model ontwikkeld dat beschrijft hoe de biologische klok van een zogenaamde cyanobacterie werkt. In die bacterie wordt in een samenspel van drie klokeiwitten één van die eiwitten ‘s nachts met een fosfaatgroep gemerkt, waardoor dit eiwit bijna alle activiteiten in de cel stillegt. De uitkomsten van het model dat dit samenspel wiskundig beschrijft komen uitstekend overeen met de beschikbare experimentele waarnemingen. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) van 1 mei 2007.

Hoewel de biologische klok van cyanobacteriën waarschijnlijk onafhankelijk van die van andere organismen geëvolueerd is, vermoedde men dat hun klokken wel op dezelfde manier werken: namelijk door de gecontroleerde productie en afbraak van klokeiwitten. Tot ieders verbazing echter bleek uit recente experimenten dat het 24-uurs ritme in fosforylatie van KaiC gereproduceerd kan worden door de drie klokeiwitten in een reageerbuis samen te voegen. Dit was een spectaculair resultaat, niet alleen omdat het Kai-systeem hiermee één van de eerste biochemische netwerken is dat men buiten de cel in een reageerbuis werkend kan krijgen, maar ook omdat het liet zien dat de hoeveelheid klokeiwitten niet verandert en dat een fundamenteel ander mechanisme verantwoordelijk moet zijn voor het werken van de klok.

Hóe de interacties tussen de drie klokeiwitten leiden tot een biologische klok was tot nu toe echter nog niet bekend. Onderzoekers van het FOM- Instituut AMOLF en van de Vrije Universiteit Amsterdam hebben nu een wiskundig model ontwikkeld dat beschrijft hoe het functioneren van de biologische klok kan worden verklaard uit de experimenteel bekende eigenschappen van de drie klokeiwitten. In dit model doorloopt ieder KaiC-eiwit afzonderlijk een fosforylatiecyclus. KaiA en KaiB zorgen ervoor dat de cycli van alle KaiC- eiwitten met elkaar in de pas gaan lopen, door de KaiC-eiwitten die achterblijven sneller te laten lopen en diegene die voorlopen in hun cyclus af te remmen.

Dit leidt uiteindelijk tot de 24-uurs ritmes in KaiC- fosforylatie die in de reageerbuis zijn waargenomen. Bovendien blijkt dit model ook op natuurlijke wijze een verklaring te kunnen geven voor het fenomeen van temperatuurscompensatie – de eigenschap van alle bekende biologische klokken dat zij niet significant sneller of langzamer gaan lopen als de omgevingstemperatuur verandert. Een verklaring voor dit fenomeen was tot nu toe ook voor andere biologische klokken nog niet gevonden.