تک جدید دریچه‌ای به دنیای بزرگ فناوری
ساعت زیستی یا ریتم شبانه‌روزی (circadian rhythm) یکی از شگفتی‌های بنیادی زیست‌شناسی است که نقش حیاتی در تنظیم چرخه خواب و بیداری و سایر فرایندهای فیزیولوژیکی بدن ایفا می‌کند. این سامانه بیولوژیک با گردش ۲۴ ساعته زمین هماهنگ بوده و هرگونه اختلال در عملکرد آن می‌تواند پیامدهای جدی برای سلامت انسان در پی داشته باشد، از جمله افزایش ریسک ابتلا به بیماری‌های قلبی-عروقی، اختلالات خواب و حتی سرطان. پژوهش در سطح سلولی نشان داده است که ساعت زیستی می‌تواند نقش تعیین‌کننده‌ای در بهبود کیفیت زندگی و حتی ارتقای اثربخشی درمان‌های دارویی ایفا کند.
طراحی سلول‌های مصنوعی برای شبیه‌سازی ساعت زیستی
به نوشته populamechanics، به تازگی تیمی از دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا مرسد گامی بزرگ در فهم سازوکار ساعت زیستی برداشته‌اند؛ آن‌ها سلول‌های مصنوعی به شکل وزیکول ایجاد کردند— ساختارهایی بسیار ریز با اندازه‌ای بین ۲ تا ۱۰ میکرومتر. درون این وزیکول‌ها، مجموعه‌ای از پروتئین‌های کلیدی موسوم به «پروتئین‌های ساعت» مانند KaiA، KaiB و KaiC قرار داده شد. این پروتئین‌ها در سیانوباکتری‌ها مسؤول تنظیم ریتم شبانه‌روزی هستند و هرکدام عملکردی ویژه دارند: KaiC مرکز اصلی واکنش بوده و KaiA و KaiB فرآیند تیک‌تاک و برگشت را تسهیل می‌کنند. برای مشاهده عملکرد دقیق این ساعت مصنوعی، پژوهشگران از رنگ‌های فلورسنت استفاده کردند تا بتوانند نوسانات بیولوژیکی ایجاد شده توسط پروتئین‌های ساعت را در داخل وزیکول‌ها رصد و اندازه‌گیری کنند. نتایج این آزمایش که در ژورنال Nature Communications منتشر شده، نشان داد دقت ساعت زیستی مستقیم به مقدار پروتئین‌ها و اندازه وزیکول بستگی دارد: وزیکول‌های بزرگ‌تر با مقادیر بالاتر پروتئین ساعت، ریتم دقیق‌تری ارائه کردند.
پیامدها و اهمیت کشف برای آینده زیست‌شناسی
هنگامی که پژوهشگران میزان پروتئین‌های ساعت را درون وزیکول‌ها کاهش دادند، ساعت بیولوژیک این سلول‌های مصنوعی نیز به تدریج دقت خود را از دست داد. مدل‌سازی‌های رایانه‌ای از جمعیت وزیکول‌ها حاکی از آن بود که توان روشن و خاموش کردن ژن‌ها توسط ریتم شبانه‌روزی — عاملی مهم برای تنظیم فرآیندهای فیزیولوژیکی و رفتاری — تاثیری بر دقت عملکرد ساعت هر سلول نداشت؛ اما برای همگام‌سازی ساعت‌ها در سطح جمعیت سلول‌ها نقش اساسی ایفا می‌کند. پروفسور آنند بالا سبرامانیام از تیم دانشگاه کالیفرنیا مرسد درباره اهمیت این یافته می‌گوید: «این پژوهش نشان داد که می‌توانیم اصول بنیادین زمان‌سنجی زیستی را با استفاده از سامانه‌های مصنوعی و ساده‌شده، به‌وضوح بررسی و درک کنیم.» مینگشو فنگ، میکروبیولوژیست دانشگاه ایالتی اوهایو که در این پروژه شرکت نداشت، این نوآوری را چنین توصیف می‌کند: «این روش، ابزار قدرتمندی برای بررسی مستقیم ساز و کار ساعت زیستی در وزیکول‌های با ابعاد قابل تنظیم ایجاد می‌کند و به دانشمندان امکان می‌دهد تا بفهمند چرا و چگونه موجودات با اندازه‌های سلولی متفاوت، استراتژی‌های زمانی مختص به خود را توسعه داده‌اند.»
کاربردهای عملی و فناوری‌های مرتبط
اهمیت درک دقیق ریتم شبانه‌روزی تنها به حوزه دانش محدود نمی‌شود؛ بلکه در درمان بیماری‌ها نیز اثرگذار است. وارد شدن به حوزه‌ای مانند «کرونوکموتراپی» (زمان‌گذاری شیمی‌درمانی) می‌تواند نشان دهد که تنظیم لحظه تزریق داروها، اثربخشی آن‌ها را افزایش داده و از عوارض جانبی بکاهد. شبیه‌سازی و بازآفرینی ساعت زیستی در محیط آزمایشگاهی مسیر را برای مطالعه دقیق‌تر بیماری‌ها، توسعه داروهای هدفمند و حتی طراحی سیستم‌های زیستی هوشمند باز می‌کند.
نتیجه‌گیری
دستاورد دانشمندان در طراحی سلول‌های مصنوعی که می‌توانند زمان را با دقت ساعت‌های ۲۴ ساعته دنبال کنند، نقطه‌عطفی در پیوند فناوری پیشرفته و زیست‌شناسی است. این موفقیت نه تنها به ما اجازه می‌دهد چگونگی کارکرد ساعت زیستی را بهتر بشناسیم، بلکه می‌تواند بهبود روش‌های درمانی و استراتژی‌های نوین در پزشکی و زیست‌فناوری را به همراه داشته باشد. کوچک‌ترین ساعت‌های جهان شاید همان‌هایی باشند که در سلول‌های ما تیک‌تاک می‌کنند، اما اهمیتشان برای سلامت کل سیاره زمین، بی‌نظیر است.
