Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Potřebují mikrobi hodinky?

Molekulární biorytmy u prokaryont a snad i u sinic
 |  5. 8. 1997
 |  Vesmír 76, 456, 1997/8

Slečno, vy se mračíte, že nám celý den pršelo?

Co má ale dělat taková jepice, které pršelo po celý život?

J. Seifert

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?

Poznámky

1) I když – kdo ví. Součástí mikrobiologického folkloru jsou historky o průmyslových fermentorech, jejichž mikrobiální osazenstvo projevovalo biochemicky sledovatelné cirkadiánní rytmy. Těžko však říci, zda naměřené rytmické chování bylo důsledkem rytmicity mikroorganizmů či makroorganizmů (jako např. topiče či obsluhy odebírající vzorky).
2) Johnson, J. Exp. Bot. 48, S8, 1997 a přednáška C. H. Johnsona na konferenci Society for Experimental Biology v Canterbury 7. 4. 1997. Více o sinicích viz Vesmír 75, 576, 1996/10
OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Biologie

O autorovi

Fatima Cvrčková

Doc. RNDr. Fatima Cvrčková, Dr. rer. nat., Dr., (*1966) vystudovala molekulární biologii a genetiku na Přírodovědecké fakultě UK, kde získala první experimentální zkušenosti v laboratoři Vladimíra Vondrejse, a genetiku na univerzitě ve Vídni. V současnosti se na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy zabývá buněčnou a molekulární biologií rostlin.
Cvrčková Fatima

Doporučujeme

Jak si delfíni ucpávají uši

Jak si delfíni ucpávají uši audio

Jaroslav Petr  |  17. 12. 2017
Hluk v mořích a oceánech produkovaný člověkem ohrožuje kytovce. Může je dočasně ohlušit nebo jim trvale poškodit sluch. Nově objevený fenomén by...
Tajemná sůva šumavská

Tajemná sůva šumavská

Jan Andreska  |  17. 12. 2017
Byl vyhuben a vrátil se. Na Šumavu lidskou snahou a do Beskyd vlastním přičiněním. Puštík bělavý teď žije opět s námi, ale ohrožení trvá.
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné