Ruis in het bioritme
Biologische klokken reageren verschillend op lichtfluctuaties
Wie ooit een jetlag heeft gehad, kent de kracht van de biologische klok. Alle
organismen, van mensen tot de kleinste bacteriën, hebben een ingebouwd systeem
dat ze vertelt of het tijd is om te rusten of juist actief te worden. De meeste
biologische klokken 'tikken' autonoom, maar sommige bacteriën zijn afhankelijk
van licht om dagelijks hun klok gelijk te laten lopen. Onderzoekers van AMOLF
en de Universiteit van Michigan hebben nu met wiskundige berekeningen
aangetoond dat een autonome klok veel minder last heeft van ruis, zoals
fluctuaties in het zonlicht door wolken. De resultaten van het onderzoek
verschenen online op 14 augustus 2018 in het wetenschappelijke tijdschrift
Physical Review Letters.
Vrijwel alle organismen hebben een dag-nacht-ritme waardoor ze bijvoorbeeld
eten en slapen op vaste momenten van de dag. Dit ritme wordt gedicteerd doordat
de eiwitconcentraties in de cellen van het organisme voortdurend variëren
(oscilleren) met een periode van 24 uur: de circadiane klok (van de Latijnse
woorden circa -ongeveer- en dies -dag).
Jetlag
In de meeste soorten is de circadiane klok niet afhankelijk van signalen van
buitenaf (licht en donker). "Als je mensen of dieren zou opsluiten in een
ruimte zonder licht, zouden ze nog steeds in een ritme van ongeveer 24 uur
behoefte krijgen aan slaap of voedsel. Toch is onze biologische klok wel
gevoelig voor licht en donker", vertelt Pieter Rein ten Wolde, die de groep
Biochemical Networks op AMOLF leidt. "De periode van ongeveer 24 uur ligt vast,
maar de fase kan verschuiven. Als we reizen naar de andere kant van de wereld
hebben we tijd nodig om te wennen: de bekende jetlag. Maar al snel pakken we
het verschoven dag-nacht-ritme van de nieuwe omgeving op."
Zandloper
Sommige bacteriën hebben echter wat biologen een zandloperklok noemen. Deze
klokken moeten door licht elke dag gereset worden. Gebeurt dat niet, dan stopt
de klok met tikken. Ten Wolde: "Zulke zandloperklokken vinden we in bepaalde
typen cyanobacteriën, de blauwalgen die nu op veel plekken het zwemwater
aantasten. Andere cyanobacteriën hebben juist een autonome biologische klok.
Wij hebben met behulp van wiskundige modellen onderzocht wat het voordeel is
van autonome circadiane klokken."
Modelleren
De onderzoekers ontdekten dat het effect van ruis verschilt voor beide soorten
klokken. Voor een biologische klok zijn variaties in de intensiteit van het
zonlicht, bijvoorbeeld door bewolking, een belangrijke bron van ruis. "Het
blijkt dat autonome klokken veel robuuster zijn voor zulke ruis," aldus Ten
Wolde. "Een zandloperklok kunnen we modelleren als een slinger. Zolang die
wordt aangedreven door een extern signaal, blijft hij in beweging. Een sterke
aandrijving zorgt voor oscillaties met een grote uitslag (amplitude), en dus
betere tijdsaanduiding. Maar bij een sterke koppeling worden ook kleine
veranderingen in het ingangsignaal versterkt wat het moeilijker maakt de tijd
nauwkeurig af te lezen. Andersom beperkt een zwakke koppeling de invloed van
ruis, maar met zo'n zwakke koppeling is het moeilijk de oscillaties, ofwel de
slingerbeweging, in gang te houden."
Robuust
Bij een zandloperklok is het dus onmogelijk om het effect van ruis te
minimaliseren. Autonome klokken daarentegen blijven al goed oscilleren zonder
externe aandrijving. Bij deze klokken is een zwakke koppeling met het licht van
buiten al voldoende om de klok te verzetten bij grote verschuivingen van het
dagritme, zoals bij een reis naar Amerika. Daardoor hebben autonome klokken
veel minder last van ruis en zijn ze robuuster. "Dit resultaat vonden we zowel
in de modellen die we specifiek ontwikkelden voor de biologische klokken van
cyanobacteriën, als in een veel algemener wiskundig model voor klokken,"
vertelt Ten Wolde. "Waarschijnlijk is de betrouwbaarheid bij externe ruis de
reden dat alle hogere organisme een autonome biologische klok hebben. Waarom we
toch ook zandloperklokken vinden in de natuur is nog onduidelijk. Hoewel ze bij
externe ruis in het nadeel zijn, bieden zandloperklokken mogelijk voordelen als
er veel ruis is binnenin het organisme."
Voor de redactie
Contactinformatie
Michele Monti
e-mail: m.monti@xxxxxxxx <mailto:m.monti@xxxxxxxx>
Petra Rodriguez (communicatie)
e-mail: p.rodriguez@xxxxxxxx <mailto:p.rodriguez@xxxxxxxx>
tel: 020-7547402
Referentie
"Robustness of clocks to input noise", Michele Monti, David K. Lubensky, Pieter
Rein ten Wolde, Physical Review Letters, 121, 078101 (2018)
doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.078101
Petra Rodriguez | Communications | AMOLF & ARCNL| Postbus 41883 - 1009 DB
Amsterdam | Science Park 104 - 1098 XG Amsterdam | t: +31 (0)20 754 7402| f:
+31 (0)20 754 72 90 | www.amolf.nl <http://www.amolf.nl/> | www.arcnl.nl
<http://www.arcnl.nl/>
Attachment:
impressie circadiane klokken.jpg
Description: JPEG image
