L'orologio biologico mantiene un ciclo di 24 ore modificando il funzionamento dei geni in condizioni calde

I ricercatori guidati dal Gen. Kurosawa del RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS) in Giappone hanno utilizzato la fisica teorica per scoprire come il nostro orologio biologico mantenga un ciclo stabile di 24 ore anche quando cambia la temperatura.

Hanno scoperto che questa stabilità è raggiunta da un sottile cambiamento nella "forma" dei ritmi dell'attività genica a temperature più elevate, un processo noto come distorsione della forma d'onda. Questo processo non solo aiuta a mantenere l'ora esatta, ma influenza anche la sincronizzazione dei nostri orologi interni con il ciclo giorno-notte. Lo studio è pubblicato sulla rivista PLOS Computational Biology.

Vi siete mai chiesti come faccia il vostro corpo a sapere quando dormire o svegliarsi? La risposta è semplice: il vostro corpo ha un orologio biologico che funziona su un ciclo di circa 24 ore. Ma poiché la maggior parte delle reazioni chimiche accelera con l'aumentare della temperatura, è sempre stato un mistero come il corpo compensi le variazioni di temperatura durante l'anno, o anche quando ci spostiamo tra il caldo estivo all'aperto e il fresco delle stanze climatizzate.

L'orologio biologico funziona attraverso fluttuazioni cicliche nei livelli di mRNA – le molecole che codificano per la produzione di proteine – che si verificano quando determinati geni vengono attivati e disattivati ritmicamente. Proprio come il movimento di un pendolo può essere descritto da un'onda sinusoidale matematica, che sale e scende dolcemente, il ritmo della produzione e del decadimento dell'mRNA può essere rappresentato da un'onda oscillatoria.

Il team di Kurosawa al RIKEN iTHEMS, insieme ai colleghi dello YITP dell'Università di Kyoto, ha applicato metodi di fisica teorica per analizzare i modelli matematici che descrivono queste oscillazioni ritmiche dell'mRNA. In particolare, hanno utilizzato il metodo del gruppo di rinormalizzazione, un potente strumento della fisica che permette di estrarre processi dinamici chiave, in lenta evoluzione, dal sistema ritmico dell'mRNA.

L'analisi ha mostrato che, all'aumentare della temperatura, i livelli di mRNA aumentavano più rapidamente e diminuivano più lentamente, ma la durata di un ciclo rimaneva costante. Su un grafico, questo ritmo ad alte temperature appariva come un'onda distorta e asimmetrica.

Per testare le conclusioni teoriche negli organismi viventi, i ricercatori hanno analizzato dati sperimentali su moscerini della frutta e topi. Infatti, a temperature elevate, questi animali hanno mostrato le distorsioni della forma d'onda previste, il che ha confermato la correttezza del modello teorico.

Gli scienziati concludono che la distorsione della forma d'onda è fondamentale per la compensazione della temperatura nell'orologio biologico, in particolare per rallentare il declino dei livelli di mRNA a ogni ciclo.

Il team ha anche scoperto che la distorsione della forma d'onda influisce sulla capacità dell'orologio biologico di sincronizzarsi con segnali esterni, come la luce e l'oscurità. L'analisi ha dimostrato che con una maggiore distorsione della forma d'onda, l'orologio è più stabile e meno influenzato da segnali esterni.

Questa conclusione teorica coincide con osservazioni sperimentali su mosche e funghi ed è importante perché i cicli irregolari luce-buio sono diventati parte della vita moderna per la maggior parte delle persone.

"I nostri risultati dimostrano che la distorsione della forma d'onda è un elemento fondamentale per il mantenimento della precisione e della sincronizzazione dell'orologio biologico, anche al variare della temperatura", afferma Kurosawa.

Aggiunge che la ricerca futura potrebbe concentrarsi sull'identificazione dei meccanismi molecolari che rallentano il declino dei livelli di mRNA e causano la distorsione della forma d'onda. I ricercatori sperano anche di studiare come questa distorsione vari tra le specie o persino tra gli individui, poiché l'età e le differenze individuali possono influenzare il funzionamento dell'orologio biologico.

"A lungo termine", osserva Kurosawa, "il grado di distorsione della forma d'onda nei geni dell'orologio biologico potrebbe diventare un biomarcatore per una migliore comprensione dei disturbi del sonno, del jet lag e degli effetti dell'invecchiamento sull'orologio biologico. Potrebbe anche rivelare modelli universali di ritmi, non solo in biologia, ma in qualsiasi sistema con cicli ripetuti".