Si el joven William Paley tuviera las herramientas de imagen de alta tecnología de hoy en día, no necesitaría construir su argumento a favor del diseño desde un reloj en un páramo. Se maravillaría de los relojes dentro de su propio cuerpo. De hecho, los relojes son universales dentro de la biología, desde las bacterias hasta las aves, desde la levadura hasta la bestia, desde los mamíferos hasta el hombre. Todos los ritmos circadianos de la vida están regulados por relojes moleculares. ¡La biología corre a base del tiempo!
Un cronometrador bacteriano
Comenzando con un caso simple, aquí hay un nuevo descubrimiento sobre los relojes en las bacterias. La cianobacteria Synechococcus elongatus, como muchas bacterias, tiene un sistema de cronometraje que consta de tres partes: KaiA, KaiB y KaiC. Este es uno de los osciladores biológicos más simples de la naturaleza y se ha estudiado en detalle. Los científicos saben que las acciones de estas proteínas regulan la transcripción de otras proteínas en bucles de retroalimentación vinculados a los ciclos día-noche.
Investigadores de la Universidad de Nagoya en Japón encontraron algo nuevo e interesante, que publicaron en PNAS el 251 de agosto: un aminoácido particular en KaiC, en la posición 402, parece ser el oscilador central que controla el período circadiano del reloj. Las proteínas KaiC con mutaciones en 402 cambiaron su período en un factor de 10: de 0,6 días a 6,6 días.
Por lo tanto, nuestros resultados indican que el marcapasos circadiano de las cianobacterias, que funciona sin un ciclo de retroalimentación de transcripción-traducción, puede definir el período de rango dinámico extra amplio, mientras mantiene intacta la compensación de temperatura. Estas características están instaladas en la estructura de la proteína KaiC, ya que la actividad ATPasa de KaiC puede determinar tanto el período circadiano como la compensación de temperatura. Para establecer la flexibilidad de la determinación del período y la persistencia de la compensación de temperatura dentro de la proteína KaiC, es posible que un nuevo mecanismo físico dentro de la estructura KaiC vincule la energía derivada de la hidrólisis del ATP con la función del marcapasos circadiano. Manteniendo tal mecanismo, las cianobacterias pudieron haber podido adaptarse al período de rotación de la Tierra, que se alargó debido a la fricción de las mareas, y así lograr entre los organismos habitar este planeta. [Énfasis añadido.]
No dicen que esta habilidad haya evolucionado. En cambio, dicen que este aminoácido permite a la bacteria ajustar su período a la rotación de la Tierra.
Los períodos de los mutantes KaiC varían de 16 a 60 h, lo que muestra la capacidad de sintonización de períodos extremadamente amplia mediante mutaciones puntuales de KaiC. En este punto, el sistema de reloj circadiano de las cianobacterias sería un modelo ideal para el estudio del mecanismo de sintonización del período de 24 h. Sin embargo, el mecanismo de ajuste del período de 24 h instalado en la proteína KaiC sigue sin estar claro, ya que los sitios de mutación se distribuyen de forma aparentemente aleatoria en toda la proteína y los efectos de la mutación en el período circadiano no son consistentes.
Claramente, todavía hay más que aprender sobre el reloj biológico en una de las formas de vida más simples. La capacidad de sintonización de estos relojes fue sugerida además por otro artículo en Nature Scientific Reports2. Un equipo de los Países Bajos examinó dos tipos de microbios formadores de esterillas en las comunidades costeras. Ambos tienen el sistema Kai-A-B-C pero responden de manera diferente dependiendo de la consistencia de la luz.
Aunque funcionalmente similares, ambas especies de cianobacterias mostraron diferentes patrones de transcripción de 24 horas en respuesta a los tratamientos experimentales, lo que sugiere que sus relojes circadianos se han adaptado a diferentes estrategias de vida adoptadas por estas cianobacterias formadoras de tapetes.
Reloj interno de Paley
En los organismos superiores, incluidos los humanos, los relojes biológicos son mucho más sofisticados y menos comprendidos. Los investigadores saben que está involucrado el núcleo supraquiasmático (NSQ) en el hipotálamo. Como se registra en Nature3, un equipo de la Escuela de Medicina de Harvard encontró algunos VIP en el reloj: neuronas «que expresan polipéptidos intestinales vasoactivos» que son necesarias para la ritmicidad normal. Estas neuronas NSQVIP son heterogéneas, «compuestas por poblaciones molecularmente distintas». La complejidad de este reloj biológico avanzado rápidamente se vuelve abrumadora, pero se está avanzando lentamente:
El conocimiento actual sostiene que los ritmos circadianos se generan dentro de las células individuales del núcleo supraquiasmático (NSQ) y que se requieren interacciones célula-célula dentro de la red NSQ para mantenerlos. Una de las propiedades emergentes de este circuito de interacciones célula-célula es el período circadiano, una propiedad fundamental del reloj circadiano NSQ. Si bien el NSQ contiene una variedad de neuropéptidos, así como el transmisor rápido GABA, que podrían contribuir de manera variable a la función de la red NSQ y, por lo tanto, al período de conjunto, trabajos anteriores han sugerido un papel especialmente importante para las células NSQVIP como «marcapasos maestros» de los ritmos circadianos. .
El equipo intentó alterar estas neuronas en ratones para observar qué sucedía con sus ciclos de sueño y vigilia, la actividad locomotora, la temperatura corporal y el ejercicio con ruedas. Aprendieron algunas cosas, pero se requerirá mucho más estudio para comprender cómo funciona el reloj.
En conjunto, nuestro trabajo establece la necesidad de neuronas NSQVIP para el ritmo circadiano ALM [actividad locomotora de mamíferos], aclara la organización del flujo de salida circadiano y la entrada moduladora a las células NSQVIP, y demuestra una heterogeneidad molecular a nivel de subpoblación que sugiere funciones distintas para subtipos específicos de NSQVIP.
Los relojes biológicos son vitales
Entre las muchas cosas que controlan los relojes biológicos, además del ciclo obvio de sueño-vigilia, se encuentran procesos vitales para la salud. Por ejemplo, los científicos de la Universidad de Rochester encontraron que los ritmos circadianos ayudan a guiar los desechos del cerebro. Esto tiene implicaciones para los noctámbulos y los estudiantes que se queman el aceite de medianoche mientras estudian para los exámenes finales.
Una nueva investigación detalla cómo el complejo conjunto de dinámicas moleculares y de fluidos que componen el sistema glifático, el proceso único de eliminación de desechos del cerebro, se sincroniza con el reloj interno maestro que regula el ciclo de sueño-vigilia. Estos hallazgos sugieren que las personas que dependen de dormir durante las horas del día tienen un mayor riesgo de desarrollar trastornos neurológicos.
En un estudio relacionado de la Universidad de Illinois en Chicago, los científicos encontraron que dormir mal conduce a problemas con el microbioma intestinal y la presión arterial alta. Al poner a las ratas en un ciclo de sueño-vigilia de 28 horas, se hicieron evidentes las interrupciones en la digestión y la circulación.
“Cuando las ratas tenían un horario de sueño anormal, se desarrollaba un aumento de la presión arterial; la presión arterial permanecía elevada incluso cuando podían volver a dormir normalmente. Esto sugiere que el sueño disfuncional afecta al cuerpo durante un período prolongado”, dijo Maki.
También se encontraron cambios indeseables en el microbioma intestinal, el material genético de todas las bacterias que viven en el colon.
Los problemas intestinales tardaron una semana en manifestarse. Cuando las ratas volvieron al reloj normal, los problemas no volvieron a la normalidad de inmediato.
Ratas humanas
Estudiantes universitarios sustituyeron a las ratas de laboratorio en otro estudio de Brasil. Un equipo que publicó en PLOS One4 concluyó que «la calidad del sueño y la ansiedad están relacionadas con la preferencia circadiana en los estudiantes universitarios». Los afectos dependían de los «cronotipos» de los estudiantes (noctámbulos versus madrugadores, por ejemplo).
La alta ocurrencia de niveles de ansiedad y la mala calidad del sueño en los estudiantes nocturnos puede ser consecuencia de una alta demanda académica en un turno incompatible con el retraso de fase del sistema de tiempo circadiano de estos individuos.
Los organismos dependen del ciclo regular de luz solar día / noche para programar sus actividades. El reloj biológico enciende las cosas adecuadas en el momento adecuado.
Los organismos vivos experimentan varios cambios funcionales a lo largo de un día. Ejemplos de tales cambios son las variaciones en la secreción de hormonas, la temperatura corporal y el rendimiento cognitivo, entre otros. La mayoría de los sistemas biológicos presentan algún sistema de tiempo circadiano endógeno que está sincronizado por ciclos exógenos fóticos y no fóticos.
Los científicos saben que los relojes están ahí. Nosotros también lo sabemos; podemos decir por los efectos cuando nuestras rutinas normales se ven interrumpidas, como en el desfase horario o en las largas horas de trabajo. Los biólogos pueden observar los engranajes de los organismos más simples y ver algunas entradas y salidas de los actores individuales involucrados. Pero aún así, después de años de investigación, los relojes biológicos son cajas negras. Están anidados como muñecos rusos dentro de otras cajas negras en sistemas jerárquicos. Darwin haría mejor en abstenerse de tratar de explicar maravillas tan afinadas mediante procesos no dirigidos como la selección natural.
Notas
- Ito-Miwa et al., «Ajuste del período circadiano de las cianobacterias hasta 6,6 días mediante las sustituciones de un solo aminoácido en KaiC». PNAS 25 de agosto de 2020117 (34) 20926-20931. https://doi.org/10.1073/pnas.2005496117.
- Hörnlein et al., «Expresión génica controlada por reloj circadiano en cianobacterias cocultivadas que forman esteras». Scientific Reports volumen 10, número de artículo: 14095 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-69294-3.
- Todd et al., «Las neuronas VIP supraquiasmáticas son necesarias para la ritmicidad circadiana normal y están compuestas por subpoblaciones molecularmente distintas». Nature Communications volumen 11, número de artículo: 4410 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17197-2.
- Silva et al., «La calidad del sueño y la ansiedad están relacionadas con la preferencia circadiana en estudiantes universitarios». PLOS One, 2 de septiembre de 2020. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0238514.
Crédito de la imagen: De Biological_clock_humanNycthéméralFrenchVersion.jpg: Lamiotderivative work: Ortisa – Este archivo deriva de: Biological clock humanNycthéméralFrenchVersion.jpg:, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23292312
Artículo publicado originalmente en inglés por Evolution News & Science Today
