Bijna alle organismen hebben een dag-nacht ritme waardoor bepaalde activiteiten, zoals eten en slapen, op vaste momenten van de dag plaatsvinden. Dit ritme wordt gedicteerd door biochemische oscillatoren in de cellen van het organisme met een periode van 24 uur: de circadiane klok (van de Latijnse woorden circa -ongeveer- en diem -dag). Het was tot nu toe onduidelijk hoe die klok stabiel kan blijven 'tikken' in groeiende en zich delende cellen, waarin ook de onderdelen van de klok worden gedupliceerd.
Verstoring
In een groeiend organisme gaan de cellen door een celcyclus waarin alle onderdelen gekopieerd worden, inclusief het DNA en de genen die daarop liggen. Dit leidt tot een periodieke verdubbeling van de productiesnelheid van de eiwitten die de biologische klok vormen. "In bestaande theorieën over hoe klokken werken, zorgt deze verdubbelde productie van klokeiwitten voor een verstoring van het 24-uursritme. Net zoals de natuurkundige Huygens al in de zeventiende eeuw liet zien bij twee gekoppelde slingeruurwerken, wordt de biologische klok gekoppeld aan de periode van de celcyclus," vertelt Joris Paijmans, promovendus in de groep Biochemical Networks van AMOLF. "Afhankelijk van de omstandigheden duurt die celcyclus enkele uren tot enkele dagen. Een biologische klok die is gekoppeld aan de groeisnelheid kan dus onmogelijk een vaste periode van 24 uur aanhouden."
Oplossing
Paijmans en zijn collega's identificeerden voor één van de best gekarakteriseerde klokken in de biologie, die van een cyanobacterie, twee mechanismen die de biologische klok mogelijk beschermen tegen de verstoring door de celdeling. Enerzijds blijken de belangrijkste klokeiwitten in een cyclus van 24 uur verschillende chemische veranderingen te ondergaan. Dit proces van modificaties maakt de eiwitten minder gevoelig voor de veranderingen in hun productiesnelheid. Daarnaast bevat de cel meerdere chromosomen die zich niet gelijktijdig delen, waardoor de productiesnelheid van de klokeiwitten gelijkmatiger verloopt. Paijmans: "Uit wiskundige modellen blijkt dat een biologische klok met deze twee ingrediënten wél stabiel is en tikt met een periode van 24 uur, ongeacht de groeisnelheid van de cel."