16 maart 2017

“Wanneer de klok stopt, komt de tijd tot leven”

Science-publicatie: Werking oeroude biologische klok ontdekt

Een team van Nederlandse en Duitse onderzoekers onder leiding van Albert Heck en Friedrich Förster van de Universiteit Utrecht, heeft de werking ontdekt van één van de oudste biologische klokken ter wereld, cruciaal voor het leven op aarde zoals wij dat nu kennen. Het gaat om de biologische klok van cyanobacteriën, de eerste organismen op aarde die via fotosynthese zuurstof produceerden. De resultaten van het onderzoek worden gepubliceerd in Science van 17 maart.

Dankzij hun biologische klok konden cyanobacteriën overdag via fotosynthese zonlicht omzetten en zuurstof produceren. Hierdoor vond de omslag plaats naar de zuurstofrijke atmosfeer, waardoor het leven op aarde zich kon ontwikkelen. De biologische klok van cyanobacteriën is weliswaar heel anders dan die van mensen, maar zes jaar geleden werd ontdekt dat in onze rode bloedcellen een vergelijkbaar proces plaatsvindt. Het evolutionaire belang van dit naar schatting één miljard jaar oude systeem is dus groot.

Reageerbuisje

Al tien jaar geleden ontdekten onderzoekers dat de biologische klok van cyanobacteriën bestaat uit maar drie eiwitcomponenten: KaiA, KaiB en KaiC. Zij zijn de bouwstenen – de radertjes en tandwielen – van een ingenieus raderwerk, zoals in een Zwitsers klok. Japanse wetenschappers lieten in 2005 in Science zien dat een oplossing van deze drie componenten in een reageerbuisje waaraan wat energie werd toegevoegd, dagenlang een 24-uurs cyclus draaide. Maar ondanks de relatieve eenvoud van het systeem, lukte het onderzoekers niet de precieze werking te doorgronden.

Bij kamertemperatuur draaien de ‘moleculaire radertjes’ van de biologische klok in hoog tempo rond. Hierdoor is het moeilijk het raderwerk van de klok te onderzoeken. Bij lage temperatuur komt de klok tot stilstand en kan in detail ingezoomd worden.

William Faulkner

“Uiteindelijk bleek de truc om de tikkende biologische klok van cyanobacteriën te doorgronden, letterlijk de tijd stilzetten”, vertelt onderzoekersleider Albert Heck van de Universiteit Utrecht.  “Zoals William Faulkner zei: pas wanneer de klok stopt, komt de tijd tot leven.”

Nieuwe combinatie

Naast het stilzetten van de tijd, pasten de onderzoekers een nieuwe combinatie van zeer geavanceerde onderzoekstechnieken toe. Met de ene techniek bepaalden ze voor één cyclus van 24 uur hoeveel van elk van de drie eiwitcomponenten - KaiA, KaiB en KaiC - in elkaar grepen of juist weer loslieten. Hierdoor kwamen zij te weten welke verzamelingen van eiwitcomponenten – combinaties van radertjes en tandwielen - bepalend waren voor het dagelijks ritme.

Inzoomen

Vervolgens zetten zij de klok op specifieke momenten stil door de temperatuur flink te verlagen. Hierdoor konden ze met verschillende technieken zeer gedetailleerd inzoomen op de structuur van de verzameling van eiwitcomponenten op dat tijdstip – de stand van de radertjes en tandwielen. Zo brachten ze de twee belangrijkste structuren voor het begrijpen van de werking van de klok in beeld.

Model 24-uurs cyclus

Hoe het raderwerk draait, viel nu af te leiden door de overgangen van structuur naar structuur te bepalen. Dat leverde een model op dat precies laat zien hoe slechts drie eiwitcomponenten een raderwerk vormen dat een 24-uurs cyclus draait.

Onderzoek naar ziekte

Eiwitten en eiwitcomplexen in onze cellen spelen overigens een essentiële rol in álle levensprocessen. De voor dit onderzoek ontwikkelde combinatie van technieken is daarom ook interessant voor onderzoek naar andere levensprocessen in relatie tot ziekte en gezondheid, zoals dit binnen de Universiteit Utrecht plaatsvindt binnen het interdisciplinaire onderzoeksthema Life Sciences.

Publicatie

“Structures of the cyanobacterial circadian oscillator frozen in a fully assembled state”
Joost Snijder, Jan M. Schuller, Anika Wiegard, Philip Lössl, Nicolas Schmelling, Ilka M. Axmann, Jürgen M. Plitzko, Friedrich Förster, Albert J. R. Heck
Science, 17 maart 2017

Contact

Monica van der Garde, persvoorlichter Universiteit Utrecht, 06 – 13 66 14 38, m.vandergarde@uu.nl.