Potřebují mikrobi hodinky?

Jistě jste to už všichni někdy zažili. Ráno pošmourné a deštivé. Venku zima, ale v posteli teploučko. Jen ten budík kdyby tolik nedrnčel... Tělo jako by se vzpouzelo vzít na vědomí, že už je ráno. Takový pes nebo kočka jsou na tom o moc líp, budíka nemajíce a spoléhajíce na to, až se vzbudí sami. Za normálních okolností se jejich životní rytmus tak jako tak odvíjí v pozoruhodném souladu se čtyřiadvacetihodinovou periodou astronomického dne.

Nejen u živočichů, ale i u rostlin se setkáváme se složitým časovým uspořádáním životních procesů, které jsou pečlivě nastaveny do souladu s přirozeným denním rytmem zevního světa. Přitom zřejmě střídání světla a tmy není příčinou rytmického chování: i člověk uzavřený v jeskyni bez styku s vnějším světem usíná a vstává v podobném rytmu jako lidé venku, a rostlina pěstovaná ve stále osvětleném skleníku zvedá a sklápí listy s přibližně denní periodicitou. Rytmické chování je tedy vlastní organizmům, které jsou vývojově velice vzdálené, a je na místě domněnka, že schopnost přizpůsobit se periodickým vnějším podmínkám je velice starým projevem života.

Právě tak jako nejeden budík, ani biologické „hodiny“ se neobejdou bez pravidelného nařizování. Mluvíme o rytmech cirkadiánních čili „zhruba denních“, protože bez pravidelného porovnání s rytmem střídání noci a dne se biologické pochody od přesné čtyřiadvacetihodinové periody odchylují. Jsou tedy cirkadiánní rytmy zároveň zděděné, biologicky dané, a naučené – vytrénované zkušeností styku s vnějším světem. Na takové představě není nic podivného: živočich či rostlina se rodí jednak s vnitřními hodinami, jednak se schopností reagovat na střídání dne a noci, a během života se učí přizpůsobit vrozený rytmus skutečné periodicitě vnějšího světa.

Jak ale vypadají cirkadiánní rytmy těch organizmů, které nemohou využít předchozí individuální zkušenosti k jemnému doladění vlastních denních rytmů prostě proto, že u nich život jedince trvá méně než jeden den?

Příslovečná jepice kupodivu takovým organizmem není. Křehký okřídlený dospělec totiž má za sebou několikaletou historii čilého, žravého larválního stadia. Bakterie s generační dobou dvacet minut (odhlédneme-li od toho, že je modelem dosti umělým, vyskytujíc se jen velice zřídka mimo fermentory výzkumníků) si ale těžko může pamatovat periodicitu minulých dnů a nocí, i kdyby měla čím vnímat světlo a tmu ¹⁾ . Přitom z jednobuněčných organizmů jsme se my všichni, lidé, brouci i rostliny, vyvinuli, a důkaz cirkadiánní rytmicity u buněk prokaryontních (bakterií a sinic) by nepochybně přispěl k pochopení původu i podstaty současných jemně vyladěných mechanizmů, které zajišťují soulad mezi chováním tzv. vyšších organizmů a periodicitou zevních podmínek.

V nedávné době skutečně byly cirkadiánní rytmy objeveny i u prokaryont, a objevují se první práce zabývající se molekulárními mechanizmy rostlinných biorytmů. Carl H. Johnson a jeho spolupracovníci z Vanderbiltovy univerzity si k tomu vybrali sinici rodu Synechococcus, protože šance na nalezení cirkadiánní rytmicity je přece jen relativně vyšší u organizmu spoléhajícího na fotosyntetickou obživu ²⁾ . Zmínění autoři metodami genového inženýrství připravili rozsáhlý soubor klonů sinice, v jejichž genomu byl na náhodných místech zabudován úsek DNA kódující luciferázu a luciferin. Současná exprese těchto dvou proteinů v kolonii sinice stačí k tomu, aby kolonie světélkovala. Luciferin se při reakci, která je spojena s vyzařováním světla, spotřebovává; intenzita světélkování proto může posloužit jako měřítko rychlosti syntézy luciferinu. Neuvěřitelně technicky náročné zařízení umožnilo snímat videokamerou velice slabé světelné záření vysílané koloniemi sinic a automaticky vyhodnocovat intenzitu světla v různých místech obrazu v závislosti na čase (viz obrázek). Výsledek byl dosti překvapující: jednotlivé kolonie sinic, které se lišily místem vložení luciferázového genu a tudíž i jeho regulací, většinou buď nesvítily vůbec, nebo blikaly – rozsvěcely se a zhasínaly s periodou 24 hodin! Prokaryontní sinice tedy zjevně mají něco jako cirkadiánní rytmus. Relativní snadnost genetické analýzy prokaryont pak spolu s již zmiňovanou složitou technologií měření světla umožnila vyhledat dokonce mutanty s pozměněnou frekvencí rytmu – tedy kolonie, které (při stále stejném místě vložení genu pro luciferázu a luciferin) blikaly s periodou od 16 do 60 hodin. Izolace takových mutantů je nepochybně zcela zásadním krokem k popisu mechanizmu řídícího cirkadiánní rytmy sinic, a tedy i k odpovědi na otázku, zda jsou naše „vnitřní hodiny“ založeny na stejných principech jako hodiny řídící život prokaryontních buněk. A snad se časem dovíme, zda sinice s několikahodinovou generační dobou udržují „v paměti“ trvání předchozích dnů a nocí, tak jako to dělají dlouho žijící rostliny a živočichové.

Z molekulárního mechanizmu „pohánějícícho“ prokaryontní biorytmy známe zatím jediný gen (všechny nalezené sinicové mutace totiž zasahují jediné místo v genomu). I tak ale už můžeme odpovědět na zásadní otázku položenou v nadpisu tohoto článku: je cirkadiánní rytmus prospěšný, či dokonce nezbytný pro život sinice?

Nezbytný jistě není. Byli totiž nalezeni i mutanti, kteří neblikají – tedy mutanti bez cirkadiánního rytmu. Docela spokojeně rostou za běžných laboratorních podmínek, a na první pohled by je nikdo nepoznal od normálních, zdravých buněk. Totéž lze ostatně říci o všech mutantních klonech sinic s pozměněnou frekvencí biorytmu. Jenže žádný (byť i sebelépe vybavený) pozorovatel nepozná, zda sinici něco schází, tak dobře jako... jiná sinice. Jediný rozdíl mezi mutantními a zdravými buňkami se totiž projeví až při směsné kultivaci. Při přirozeném světelném režimu s periodou 24 hodin zdravé buňky hravě přerostou jakéhokoli mutanta – ať už „bez hodin“, nebo s dlouhou či krátkou periodou. Když ale nastavíme rytmus střídání světla a tmy na jinou než čtyřiadvacetihodinovou periodu, ve směsných kulturách vždy zvítězí ten klon, jehož rytmus je nejblíže skutečnému střídání světla a tmy. Plyne odtud tedy ponaučení, že i pro sinici je prospěšné mít hodinky, ale ty hodinky musejí jít dobře.

Koneckonců je to stejné jako u nás u lidí. Většinou je nám aspoň občas zatěžko obejít se bez budíka; ale je zajisté poněkud nepříjemné, když se ten budík předchá-

Crrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrr!

Copak už je zase ráno?