Los ritmos circadianos bacterianos , al igual que otros ritmos circadianos, son endógenos .
Descubiertos recientemente, son una manifestación de lo que llamamos reloj circadiano , o reloj biológico o reloj interno .
La coordinación y optimización temporal de los procesos biológicos y la adaptación a las fluctuaciones diarias juegan un papel importante en la supervivencia de la mayoría de los organismos.
Hasta mediados de la década de 1980 , se creía que solo las células eucariotas se beneficiaban de un ritmo circadiano endógeno, pero desde entonces se ha demostrado que las cianobacterias (bacterias fotosintéticas del filo Eubacteria ) también tienen un sistema de ritmo. ritmo (ver más abajo).
En estas bacterias , tres proteínas clave cuyas estructuras ahora se conocen pueden formar el equivalente de un reloj molecular que controla u orquesta la expresión global de genes y que puede, incluso in vitro (siempre que haya ATP disponible), comportarse como un " oscilador ".
Este sistema permite que estas bacterias se adapten mejor a los grandes ritmos ambientales que caracterizan a los ecosistemas expuestos a los ciclos día / noche.
Para el biólogo , un ritmo circadiano "verdadero" debe (dentro de los límites normales del entorno natural del organismo) presentar tres características:
¿Son los procariotas capaces de tener ritmicidad circadiana? Antes de mediados de la década de 1980, esto parecía improbable, en particular porque no estaba claro cómo un ritmo endógeno y en particular un periodismo de 12 o 24 horas sería útil para especies aparentemente tan "simples" y primitivas, tanto como en ideal. condiciones, pueden reproducirse varias veces al día. En otras palabras: "¿Por qué tener un reloj interno que indique un tiempo y un ciclo más largos que su ciclo de vida?" " Este problema realmente no tiene ningún significado, porque estas bacterias son unicelulares y esencialmente se reproducen por división simple y no por reproducción sexual .
De hecho, una gran población bacteriana puede compararse con un protoplasma en crecimiento, a veces incluso considerado un " superorganismo "; en este contexto, un programa temporal de 12 o 24 horas podría realmente mejorar el ajuste de estas bacterias en un ambiente rítmico por variaciones de día / noche y cambios de temperatura e intensidad de luz. Estos últimos son de hecho particularmente importantes para las bacterias fotosintéticas .
En 1.985 mil - 86 , varios equipos científicos descubrieron en las cianobacterias ritmos diarios fijación de nitrógeno , invariante en condiciones de luz constante o constante oscuridad.
Huang y sus colegas fueron los primeros en demostrar en la cianobacteria Synechococcus sp . RF-1 (bacterias que viven en agua dulce ) ritmos circadianos . En artículos publicados a partir de 1986, se han descrito las tres características principales de los ritmos circadianos en un solo organismo. Otro estudio fundador es el de Sweeney y Borgese. este equipo también fue el primero en demostrar la compensación de temperatura de un ritmo diario en la cianobacteria marina, Synechococcus WH7803.
En ese momento, solo se podían caracterizar dos genes "circadianos" ; el primero fue responsable de un período en Drosophila y el segundo fue responsable de una frecuencia en Neurospora crassa . Otro gen fue identificado un año después en la mosca, varios años antes de que se descubriera un primer gen en un mamífero. En la década de 1980, todavía se podía pensar que todas las formas de vida usaban el mismo mecanismo de reloj interno, ya que todas las especies conocidas usan ATP para el almacenamiento de energía y ADN para el almacenamiento de grandes cantidades de energía, parte de la información genética. De hecho, no lo es, y la evolución, dentro de cada reinado, parece haber desarrollado diferentes soluciones.
A principios de la década de 1990, había una cepa genéticamente modificada de la cianobacteria Synechococcus elongatus insertándola en un gen de luciferasa . Este gen permitió seguir temporal y cuantitativamente, con gran precisión, y de forma “no invasiva” , la expresión de los “genes del ritmo” (que en este caso hacía que las células “brillaran” rítmicamente cuando se expresaban allí ).
Este sistema permitió medir los ritmos biológicos de poblaciones enteras o de cianobacterias aisladas.
Los ritmos de luminiscencia expresados por estas bacterias S. elongatus modificadas genéticamente respondieron bien a los tres criterios esenciales de los ritmos circadianos : la persistencia de una oscilación de 24 horas (en condiciones constantes), la compensación de temperatura y un efecto cronobiológico .
El estudio de laboratorio de varias especies de Synechococcus ha establecido firmemente que las bacterias procariotas son capaces de tener ritmicidad circadiana, contrariamente al dogma de que solo los eucariotas están dotados de ella. Además, las células de una cepa de cianobacterias mantienen su ritmo de manera estable durante varias generaciones, incluso con poca luz constante. Sin embargo, todavía falta evidencia convincente de la existencia de "programas" circadianos innatos y similares en bacterias distintas de las cianobacterias; Es posible que solo las bacterias fotosintéticas hayan desarrollado esta habilidad debido a su dependencia (para la fotosíntesis) de la luz. Sin embargo, quizás podrían existir genes que desempeñan funciones similares en otros grupos de microbios y bacterias.
A pesar de las afirmaciones predictivas de que las células que se duplican más de una vez en 24 horas no expresan el reloj circadiano, la cronicidad se mantiene en las cianobacterias criadas en buenas condiciones en cultivos que crecen lo suficientemente rápido como para duplicarse cada 5-6 horas.
Estas bacterias incluso aparentemente son capaces de tener en cuenta simultáneamente y con precisión dos procesos de sincronización establecidos en períodos muy diferentes.
Una cuestión importante era si este "cronómetro endógeno" circadiano puede mejorar la aptitud de los organismos que crecen en condiciones naturales.
En general, se cree que los relojes circadianos pueden mejorar la capacidad de los organismos para adaptarse al medio ambiente mejorando su capacidad para adaptarse a los principales factores ambientales, como los ciclos día-noche. En realidad, no parece que se hayan realizado pruebas rigurosas para sustentar esta hipótesis (para este tipo de organismo en particular).
En la década de 2000, se intentó probar un posible valor adaptativo de las cianobacterias provistas de los relojes endógenos más precisos. Un experimento consistió en cultivar una mezcla de diferentes cepas de cianobacterias caracterizadas por diferentes propiedades circadianas (algunas exhibían fuerte rítmicidad y otras arritmicidad, los períodos del ritmo también variaban). Esta mezcla se cultivó en un ambiente que permitía la competencia entre las diferentes cepas, bajo diferentes condiciones ambientales.
La idea era ver si se favorecían las bacterias con un reloj circadiano en funcionamiento.
El resultado fue que las cepas que poseían un reloj biológico funcional competían efectivamente con las cepas “arrítmicas”, pero solo en ambientes caracterizados por iluminación rítmica (por ejemplo, cultivo encendido durante 12 h, luego mantenido en la oscuridad durante 12 hy así sucesivamente).
En cambio ; en un entorno "constante" (por ejemplo, medio de cultivo mantenido bajo luz artificial ininterrumpida), las tensiones rítmicas y arrítmicas se reproducen a una velocidad comparable.
Asimismo, dentro del grupo de cepas que exhibían un ritmo cronobiológico, pero con diferentes períodos, aquellas cuyo "período" endógeno correspondía mejor al período del ciclo de iluminación suplantaron a las cepas cuya duración no correspondía a la de este ambiente. Por tanto, en entornos fuertemente "rítmicos" como los sometidos a los ciclos solar y lunar, la capacidad de supervivencia de las cianobacterias parece mejorar realmente cuando su reloj interno está activo y más aún cuando su período circadiano es similar al del ciclo. el entorno. Este experimento fue uno de los primeros en proporcionar evidencia de una ventaja selectiva conferida a una especie por un reloj interno circadiano, incluso para organismos de rápido crecimiento que se dividen más de una vez al día.
En eucariotas, el 10-20% de los genes se activan rítmicamente (como lo muestran las variaciones cíclicas en la abundancia de ARNm). Sin embargo, en las cianobacterias, el reloj circadiano bacteriano controla una proporción mucho mayor de genes.
La bacteria S. elongatus modificada genéticamente mediante la adición de un gen de luciferasa se ha utilizado para buscar mutaciones en el gen o genes responsables del reloj interno, muchos de los cuales parecen haber sido aislados. A finales de la década de 1990, el estudio de las cepas mutantes permitió identificar un grupo de tres genes, llamados kaiA, kaiB y kaiC; "Kai" significa "rotación" o "ciclo numérico" en japonés. Estos genes codifican las proteínas Kaia, Kaib y Kaic, que se ha demostrado que son esenciales para la función de "reloj interno" de S. elongatus . Constituyen el corazón del oscilador circadiano bacteriano.
No se encontró una similitud significativa entre estos genes kai y cualquier otro gen ya identificado en eucariotas, pero existen homólogos potenciales en las secuencias genómicas de otras bacterias (tanto en eubacterias como en Archaea ).
Primero se creyó que el mecanismo de reloj interno de las cianobacterias era un ciclo de retroalimentación y traducción similar a la transcripción donde las proteínas del reloj autorregulan la actividad de sus propios promotores a través de un proceso similar (desde el punto de vista del concepto) al sistema. responsable de los relojes circadianos en eucariotas.
Más tarde, varios grupos de pistas sugirieron que la transcripción y la traducción no eran necesarias para que se expresaran los ritmos circadianos de las proteínas Kai. La pista más dramática es que las tres proteínas "Kai" purificadas pueden reconstituir una oscilación circadiana compensada por temperatura en un tubo de ensayo.
La velocidad observable y que puede medirse in vitro es la del estado de fosforilación de la proteína conocida como KaiC. Este es el primer (y hasta ahora el único) ejemplo de una reconstrucción in vitro de un reloj circadiano.
Hasta la fecha, el sistema circadiano de las cianobacterias es único porque es el único sistema circadiano en el que la estructura de la proteína involucrada es conocida y reproducible. Las estructuras de cada una de las tres proteínas "Kai" (que significa ciclo en japonés) de Synechococcus elongatus se determinaron mediante análisis cristalográfico y análisis de cepas mutadas.
Sin embargo, el conocimiento de estas estructuras tridimensionales ha sido útil para dilucidar el mecanismo básico del reloj de las cianobacterias, proporcionando modelos concretos de cómo las tres proteínas Kai (A, B y C) podrían interactuar e influir entre sí.
Un enfoque estructural también permitió que el complejo de proteínas KaiA / KaiB / KaiC se entendiera y visualizara en función del tiempo, lo que permitió un modelado matemático sofisticado de la tasa de fosforilación in vitro.
Por lo tanto, los componentes del reloj interno de las cianobacterias y sus interacciones ahora se pueden visualizar en cuatro dimensiones (tres en el espacio, la otra representando el tiempo), lo que quizás también podría abrir perspectivas para computadoras biológicas o una comprensión refinada de las perturbaciones discretas de la iluminación artificial. en el fenómeno conocido como "contaminación lumínica".
Desde finales de la década de 1990, el conocimiento de los componentes del reloj interno de algunas especies de bacterias fotosintéticas (cianobacterias) y la comprensión y modelado de sus interacciones ha progresado mucho. En una de las bacterias estudiadas, estos mecanismos ahora se pueden visualizar en cuatro dimensiones (tres en el espacio, la otra representando el tiempo), lo que también podría abrir nuevas perspectivas, por ejemplo: