I vores cellulære ure har hun fundet et helt liv med opdagelser | Quanta Magasinet

I morges, da solen kom op, åbnede milliarder af mennesker deres øjne og lukkede ind i deres kroppe en lysstråle fra rummet. Da strømmen af ​​fotoner ramte nethinden, affyrede neuroner. Og i hvert organ, i næsten hver eneste celle, rørte omhyggeligt maskineri. Hver celles cirkadiske ur, et kompleks af proteiner, hvis niveauer stiger og falder med solen, klikkede i gear.

Det ur synkroniserer vores kroppe til planetens lys-mørke cyklus ved at kontrollere ekspressionen af ​​mere end 40 % af vores genom. Gener for immunsignaler, hjernens budbringere og leverenzymer, for blot at nævne nogle få, bliver alle transskriberet til at lave proteiner, når uret siger, at det er tid.

Det betyder, at du biokemisk set ikke er den samme person kl. 10, som du er kl. 10. Det betyder, at aftenen er et farligere tidspunkt at tage store doser af det smertestillende middel paracetamol: Leverenzymer, der beskytter mod overdosis, bliver så knappe. Det betyder, at vacciner gives morgen og aften arbejde anderledes, og at natholdsarbejdere, som kronisk ikke adlyder deres ure, har højere forekomst af hjertesygdomme og diabetes. Mennesker, hvis ure kører hurtigt eller langsomt, er fanget i en frygtelig tilstand af evig jetlag.

"Vi er knyttet til denne dag på måder, som jeg tror, ​​folk bare skubber af," fortæller biokemikeren Carrie Partch til mig. Hvis vi forstår uret bedre, har hun hævdet, kan vi måske nulstille det. Med den information kan vi forme behandlingen af ​​sygdomme, fra diabetes til kræft.

I mere end et kvart århundrede har Partch levet blandt orkestratorerne af det cirkadiske ur, de proteiner, hvis stigning og fald styrer dets funktion. Som postdoc producerede hun den første visualisering af det bundne par af proteiner i dets hjerte, UR og BMAL1. Siden da har hun fortsat med at synliggøre hvirvlerne og drejningerne af disse og andre urproteiner, mens hun kortlægger, hvordan ændringer i deres struktur tilføjer eller trækker tid fra dagen. Hendes præstationer i jagten på denne viden har givet hende nogle af de højeste hæder inden for dette videnskabsområde: Margaret Oakley Dayhoff Award fra Biophysical Society i 2018, og den National Academy of Sciences Award i molekylærbiologi i 2022.

Mens Partch taler, skygger hendes fornemmelse af tidens ubønhørlighed - det faktum, at den ændrer os, uanset om vi vil det eller ej - hendes stemme med stille påtrængning. Hendes egen rejse har taget en uventet drejning; på højden af ​​sin karriere er hun nødt til at træde tilbage fra laboratoriebænken. I 2020, i en alder af 47, blev hun diagnosticeret med amyotrofisk lateral sklerose, også kendt som Lou Gehrigs sygdom. I gennemsnit lever mennesker tre til fem år efter at have fået diagnosen ALS.

Men det har ikke afholdt hende fra at tænke på urproteinerne.

Hun betragter dem, med hovedet på skrå, lyset skinner af hendes briller, mens vi sidder i hendes stue i bakkerne nær Santa Cruz, Californien. Det er middag, omkring seks timer siden, at solens fotoner drev CLOCK og BMAL1 i aktion i hendes celler og cellerne hos ethvert menneske på vestkysten.

I sit indre øje kan hun se proteinerne, hver et bånd af aminosyrer foldet rundt om sig selv. BMAL1 har en slags talje, som CLOCK spænder som en danser. Hver daggry tager parret op på den tæt sammenrullede masse af genomet og tilkalder de enzymer, der transskriberer DNA. I løbet af dagen får de andre proteiner til at hvirvle ud af cellens maskineri, inklusive flere, der til sidst formørker deres kraft. Tre proteiner finder håndtag på CLOCK og BMAL1 omkring kl. 10, gør dem tavse og fjerner dem fra genomet. Tidevandet af DNA-transkription skifter. Endelig, i dybet af natten, griber et fjerde protein et tag på enden af ​​BMAL1 og forhindrer yderligere aktivering.

Sekunder bliver til minutter, minutter til timer. Tiden går. Gradvist henfalder den undertrykkende kvartet af proteiner. I de små timer om morgenen bliver CLOCK og BMAL1 igen lavet til at forny cyklussen.

Hver dag i dit liv forbinder dette system kroppens grundlæggende biologi med planetens bevægelse. Hver dag i dit liv, så længe det varer. Ingen forstår dette dybere end Partch.

Kemi og ure

Sommeren før femte klasse, da Partch var 10 år gammel, brækkede hendes far, som var tømrer, sit håndled ved at spille fodbold. Mens han ventede på, at det skulle hele, tog han kemi på det lokale community college. Han viste hende, hvordan man afbalancerer en kemisk ligning i deres gård uden for Seattle, på en tavle, der står op ad et træ. Det var hendes introduktion til kemi.

"Jeg kan stadig huske, at jeg tænkte, hvordan den matematiske præcision af kemi var så cool - meget forskellig fra den biologi, vi blev undervist i i skolen i den alder," sagde hun.

Da hun mindes sine studieår på University of Washington, indrømmer hun med et skævt grin, at noget af det, der springer frem, er minderne om at deltage i koncerter - at køre ned til Olympia til Sleater-Kinney-shows, se Mudhoney og Nirvana - og hendes nydelse af bøger af forfattere som Ursula Le Guin. Men hun blev også betaget af en klasse om levende systemers kemi. Efter endt uddannelse gik hun på arbejde som tekniker ved Oregon Health and Science University i Portland. Hver dag blev hun mere forelsket i forskning. I 2000 flyttede hun og hendes kæreste, James, en musiker og grafisk designer, til University of North Carolina, Chapel Hill, så hun kunne begynde på sin doktorgrad.

Kort efter hun ankom mødte hun den person, der ville introducere hende til uret. Hun tog en klasse hos molekylærbiologen Aziz Sancar, kendt for sit arbejde med DNA-reparation. "Jeg blev slået af den smukke præcision, hvormed han lærte os grundlæggende videnskabelige begreber," sagde hun. "Jeg tænkte, 'Dude, denne fyr er så smart'." Sancar, som ville vinde en nobelpris i 2015 studerede en klasse af proteiner kaldet kryptochromer, som inkluderer urproteinerne CRY1 og CRY2. Hver organisme fra cyanobakterier til redwood-træer har et ur, men proteinerne, der driver hvert system, er forskellige. Hos pattedyr er de vigtigste proteiner bortset fra CLOCK og BMAL1 former for PER og CRY.

Som kandidatstuderende i Sancars laboratorium opdagede Partch, at CRY1 havde en mystisk, ustruktureret hale. Ingen vidste, hvad den del af proteinet gjorde, men så igen, ingen vidste rigtigt, hvordan nogen af ​​spolerne og båndene i urproteinerne førte til deres bemærkelsesværdige virkninger. Og til Partchs overraskelse var der tilsyneladende heller ingen, der var ligeglade. Joseph Takahashi og hans kolleger ved Northwestern University havde udpeget generne for CLOCK og BMAL1 til stor anerkendelse blot et par år før; den uudtalte antagelse blandt mange videnskabsmænd var, at de tunge løft var udført.

Det forblev ikke engang usagt. Ved en konference i 2002 delte Partch med et par kolleger, at hun ønskede at forstå proteinernes struktur. "Hvorfor?" var deres svar: Vi ved allerede alt. Partch var høfligt men eftertrykkeligt uenig.

Da hun blev færdiguddannet, gik hun på arbejde på University of Texas Southwestern Medical Center som postdoc i laboratoriet i Kevin Gardner, en biokemiker og strukturel biolog nu ved Advanced Science Research Center ved City University of New York Graduate Center. Der håbede hun, at hun kunne se urproteinerne tydeligere ved at lære at bruge to vanskelige, men kraftfulde teknikker.

En Skyggers Digter

"Cirkelprotein rører ved kvadratisk protein er lig med magi": Sådan opsummerer Gardner den vaghed om molekylær struktur, som mange biologer efter hans erfaring er tilfredse med at acceptere, da ingen kan fokusere på alle aspekter af hvert system. Men i Partch genkendte han en beslægtet ånd, en drevet til at skille proteiner ad og forstå dem, og begavet med en næsten encyklopædisk hukommelse for litteraturen om døgnuret.

I samarbejde med ham lærte Partch proteinkrystallografi: hvordan man blander opløsninger, hvorfra et renset protein ville krystallisere; hvordan man skinner røntgenstråler gennem det krystallinske gitter; hvordan man udleder proteinets form ud fra de subtile nuancer i diffraktionsmønsteret. En krystallograf er som en digter af skygger - Rosalind Franklin, hvis billeder gjorde det muligt for Watson og Crick at udlede DNA-strukturen, var en krystallograf. For Partch lovede krystallografiens tågede grå billeder et kig på de strukturer, hun planlagde at følge hele sit liv.

Alligevel har krystallografi grænser. Det kan kun afsløre formerne af proteiner, der er stabile nok til at krystallisere, og det giver kun et øjebliksbillede af de frosne strukturer. Partch vidste, at de statiske former, der repræsenterer proteiner i lærebogsdiagrammer, slørede sandheden. Et protein kan kneppe sine ben, vride sig som en skralde eller krølle sig ud og folde sig selv til en mærkelig ny form. Nogle proteiner er også meget uordnede, med lange, floppy spaghettistrenge af aminosyrer, der forbinder deres mere ordnede regioner.

Det er derfor, kernemagnetisk resonansspektroskopi, eller NMR, også figurerede i Partchs plan. I NMR placeres højt oprensede opløsninger af protein i en magnet og rammes af radiobølger. De resulterende magnetiske forstyrrelser af deres atomkerner, kompileret og vist af software, kan afsløre arrangementet af et proteins atomer for et kræsne øje. Hvis målebetingelserne er indstillet rigtigt, kan du udlede, hvordan et protein bevæger sig, når det binder en partner, hvordan det oplever en temperaturændring, eller hvordan det skifter fra en tilstand til en anden. Når Partch ser på en regnbuesprøjt af NMR-data på et XY-plot, ser hun de hurtige bevægelser af metalbindende grupper og den langsomme foldning af et protein.

Da hendes afdeling på UT Southwestern Medical Center rekrutterede Takahashi, genetikeren, der havde identificeret generne for CLOCK og BMAL1, "du må hellere tro, jeg insinuerede mig selv," sagde hun glad. Da hun forlod universitetet, havde hun, Takahashi og deres kolleger fremstillet et billede af CLOCK-BMAL1-komplekset gennem krystallografi.

I 2011, da Partch flyttede sammen med James og deres unge søn for at starte hendes laboratorium ved University of California, Santa Cruz, begyndte hun fra bunden. Hun havde ingen projekter fra sin postdoc at fortsætte. Hun havde kun sin visions særegenhed til at forstå uret og endelig redskaberne til at realisere det.

Protein-urværket

Uden for vinduet på Partchs UCSC-kontor filtrerer lysskafter gennem redwood-blade. Den fysiske videnskabsbygning ligger i en skov, hvor slimskimmel blomstrer, og træer vipper bladene i lydighed mod deres egne døgnure. Inde i de studerende og vandrere, der krydser skovens mosede bund, er CLOCK, BMAL1 og deres ledsagermolekyler travlt med at producere kroppens eftermiddagscocktail af proteiner. Det var her, Partch fik chancen for at se dybere på tidens biomekanik.

Fra begyndelsen var hun på vej ind i ukendt territorium. "Carrie er ekstremt unik," sagde Brian Zoltowski fra Southern Methodist University, som var postdoc i Gardners laboratorium sammen med hende. Han kan tælle på én hånd laboratorierne, der fokuserer på pattedyrurets nøgne strukturelle biologi. De nødvendige færdigheder er esoteriske, og risikoen for at bruge mange års indsats for små fremskridt er stor.

Ikke desto mindre vadede Partch ud i det ukendte og begyndte at sende forsendelser tilbage. Med sin elev Chelsea Gustafson , Haiyan Xu fra University of Memphis fandt hun ud af, at CRY1 dæmper BMAL1 ved at binde sig konkurrencedygtigt til dets vridende, uordnet hale; hvis halen er muteret, skifter uret tempo eller endda går helt i opløsning. Med sin elev Alicia Michael, fandt hun ud af, at CLOCK putter sig mod CRY1 ved at skrue en løkke i en lomme på det; hvis en mutation ødelægger lommen, binder de to sig ikke. En mutation i PER2 gør, at den passer mindre godt mod sine bindingspartnere og gør den sårbar over for nedbrydning; den defekt fremskynder uret med halvanden time. Orienteringen af ​​en enkeltbinding i halen af ​​BMAL1 kan forkorte dagen. Stykkerne af urværket begyndte at dukke op fra mørket.

Hun skabte sig et navn som en samler af alle de ændringer, der kan sætte uret hurtigere, bremse det eller dæmpe det fuldstændig. "Carrie forsøger at bore ned til niveauet for at forstå, hvad de individuelle proteinbevægelser er," sagde Zoltowski. Jo længere tid Partch brugte med de morphing clock-proteiner, jo bedre kunne hun se dem i sit sind og forstå, hvordan de kunne reagere på et lægemiddel eller en mutation.

Hendes resultater gav kronobiologi et nyt syn på, hvordan urproteiner fungerer. "Hvad Carrie har opdaget igen og igen er, at meget af den vigtige biologi kommer fra de dele af proteinerne, der er ustrukturerede, meget fleksible og dynamiske," sagde Andy LiWang fra University of California, Merced, en strukturel biolog, der studerer uret i cyanobakterier. "Det hun laver med NMR er heroisk."

I 2018 havde Partch vundet priser og samlet en formidabel portefølje af tilskud. Hun sad i de lærde selskabers bestyrelser. Hun havde fået en anden søn og rekrutterede en gruppe studerende og postdocs inspireret af hendes vision. Priya Crosby, en nylig postdoc i hendes laboratorium, husker, at hun mødte Partch til en fest og følte sig beæret. Partchs passion for at forstå uret var til at tage og føle på, og hun så ud til at have alle data om det lige ved hånden.

Det var omkring da, at hendes hænder begyndte at gribe sig.

En skruenøgle i værket

Først var det småting. "Mine hænder ville fryse i et sekund," sagde hun. "Du ved, det ikke er rigtigt." Lægerne mente, at det var stress. Det var først i juni 2020, da hun vendte tilbage til sit laboratorium efter måneder i Covid-19 pandemisk lockdown og fandt ud af, at trappen trættede hende ud, at hun pressede på for et bedre svar. Næsten seks måneder senere fik hun en diagnose: ALS eller amyotrofisk lateral sklerose.

ALS dræber motoriske neuroner og ødelægger evnen til at kontrollere bevægelser. Finmotorik går først, efterfulgt af evnen til at gå og tale. Til sidst forsvinder neuroner, der kontrollerer åndedrættet. Efter en diagnose har folk en tendens til kun at leve en håndfuld år.

Partch elskede at arbejde på laboratoriebænken. Blandt sine elever var hun kendt for selv at udføre indledende eksperimenter for at se, om en idé havde potentiale. Hun var et velkendt syn i laboratoriet, der travede rundt med isspande besat med rør med protein.

"Min sidste proteinforberedelse var i januar for omkring to år siden," huskede hun. "At papir ind Natur - vi havde den oprindelige struktur. Vi forsøgte at lave mutationer for at se, om det holdt vand. … Jeg kom igennem halvdelen af ​​mutanterne, og jeg tænkte: 'Herregud.'” Isspanden føltes som bly i hendes arme.

Partch bruger nu en motoriseret kørestol. Der blev installeret knapper i laboratoriebygningen, så hun kunne åbne døre, og James kører hende på arbejde. Hun arbejder stadig på fuld tid - mødes med studerende, fyrer e-mails af, drømmer om nye eksperimenter. Det er blevet sværere at tale, men hendes sind er upåvirket. Til tider synes de ukendte at rejse sig, og sorgen truer med at overvælde hende, men hun lader disse øjeblikke passere. "Jeg prøver at leve," sagde hun.

Der er stadig i dag. Og i dag og i dag og i dag, så længe cyklussen kan gentage sig selv.

Tidens universelle sandheder

Det er en tåget morgen i maj, omkring fire timer inde i CLOCK og BMAL1's dans. På Partchs kontor har hun og Diksha Sharma, en kandidatstuderende i laboratoriet, diskuterer deres passion for de foldede proteinsegmenter kaldet PAS-domæner. "Vi er som to ærter i en bælg," siger Partch. Sharma tester, om PAS-domænerne i CLOCK og BMAL1 kan målrettes af et bibliotek af lægemidler til kontrol over uret. "Det kan lade sig gøre, tror vi," siger Partch.

I laboratorierummet arbejder en klynge af studerende og postdocs. Rafael Robles vinker og smiler fra en bænk, hvor han er ved at gøre rør klar til et proteinpræparat. Der er færre studerende, end der plejede at være, måske fordi Partch ikke længere underviser. Hendes kandidatstuderende Megan Torgrimson, der tog Partchs klasse på college, minder om hendes magnetisme som forelæser. Men selvom Partch nød at have yngre mentees omkring sig, begrunder hun, at mere plads for alle at arbejde i ikke er en dårlig ting. "Hvert enkelt projekt i laboratoriet lige nu er jeg så begejstret for," siger hun.

I de sidste tre år er mange langvarige projekter blevet til virkelighed. På en skærm i laboratoriet står postdoc Jon Philpott trækker en figur op fra gruppens nyt papir in Molecular Cell, vedrørende en mutation i PER2 forbundet med familiær søvnfaseforstyrrelse, en tilstand, der forkorter den daglige cyklus med hele fire timer. Han påpeger i figuren, hvordan PER2 er en masse af for det meste uordnede områder. "Det er regioner, der er ekstremt vigtige," siger han. Indtil Partch viste andet, "plejede de fleste mennesker at tro, at lidelse var de ikke-funktionelle ting."

På et laboratoriemøde leder de yngre forskere diskussionen om nye data. Partch sidder i sin kørestol og lytter og kimer ind imellem. "Laboratoriet har været fantastisk til at håndtere usikkerheden" ved diagnosen, fortæller hun. Nu hvor hun ikke længere selv kan lave eksperimenter, fokuserer hun meget af sin energi på at styre dem i den rigtige retning.

Partch tænker mere og mere i disse dage på, hvad der er universelt i livets måling af tid. For nogle år siden inviterede LiWang hende til at arbejde sammen med ham om uret i cyanobakterier, som ikke har nogen dele til fælles med det menneskelige ur. Den består af blot tre proteiner kaldet KaiA, KaiB og KaiC, hvis aktivitet stiger og falder i en 24-timers rytme, og deres to bindingspartnere, som driver oversættelsen af ​​gener. I 2017 holdet ledet af LiWang og Partch udgivet detaljerede strukturer af hvert af komplekserne, hvilket afslører folderne og snoningerne, der gør det muligt for dem at knytte sig til hinanden. Senere viste gruppen, at de kunne putte urproteinerne i et reagensglas og få dem til at cykle i dage, ja måneder.

De var dybt i gang med at registrere, hvordan den cyklus blev drevet, da Partch genkendte noget, hun havde set, mens hun studerede det menneskelige ur: konkurrence. Den lille tag, hvor CRY1 binder til BMAL1, er også der, hvor en af ​​BMAL1s stærkeste aktivatorer binder. Hvis CRY1 udkonkurrerer den aktivator og tager dens plads på tagget, kan uret kun gå fremad. Det er låst ind i denne proces og venter i minutter og timer, indtil CRY1-proteinets binding henfalder, og urets cyklus begynder igen.

I det cyanobakterielle ur, indså Partch, fungerer konkurrence mellem komponenterne på samme måde. Det dukker også op i ure af organismer som orme og svampe. "Dette ser ud til at være et bevaret princip i meget, meget forskellige ure," sagde hun. Hun spekulerer på, om det afspejler en grundlæggende biofysisk sandhed om, hvordan naturen laver maskiner, der marcherer frem i tiden, og følger en vej, som de ikke kan vige fra.

Timingen for livet på Mars

En daggry mere. Solens lys stråler gennem rummets kolde områder, ned til Jorden, ind i Carrie Partchs kinablå øjne. CLOCK og BMAL1 begynder deres dans. Hun går på arbejde. Hun hænger ud med sine drenge, som er 13 og 18. Den yngre, der kan lide at gå ned i YouTube-kaninhuller om kemi, insisterer på, at de ser en fantastisk fjollet timelang video sammen om at isolere vanillin fra gummihandsker og ændre det til varm sauce. Hun tænker på båndene og spolerne af urproteiner. Nogle mennesker, der står over for hendes diagnose, kan beslutte, at det er tid til at gøre noget anderledes, men Partch har aldrig overvejet at vende sig væk fra uret. Hun vil gerne vide enden på for mange historier.

Når hun forestiller sig en fremtid, hvor vi virkelig forstår cirkadisk biologi, forestiller hun sig, at hun ved, hvad en persons ur laver på ethvert tidspunkt af dagen. Som svar på en indkaldelse af forslag fra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) fik hun og kolleger engang idéen til en næsesonde, der kunne vurdere dit urs tilstand, overføre data om det og måske endda ændre det. DARPA favoriserer velkendte langt ude forslag, men Partch joker med, at de har udgået DARPA, da de ikke fik pengene. Hun tænker stadig på potentialet ved den enhed.

Af alle solsystemets hvirvlende planeter er det denne med sit 24-timers døgn, der har formet os. Af den grund er der væsentlige spørgsmål om, hvordan mennesker vil forblive sunde, hvis vi nogensinde forsøger at leve på andre planeter. Som en karusell, hvis rotation virker blid, indtil du forsøger at komme af, kan de jordiske cyklusser, der er indgroet i vores celler, trække faretruende på os. "De binder os virkelig til Jorden," sagde Partch.

Men hun forestiller sig at kunne justere dynamikken i CLOCK, BMAL1 eller en af ​​deres mange partnere, så rumrejsende ikke bliver syge af beskadigede ure. Naturen tilbyder lidt inspiration: En mutation i CRY1 opdaget i laboratoriet af Michael Young på Rockefeller University forlænger menneskers døgncyklus med omkring 40 minutter, og dømmer dens bærere til en evigt uoverensstemmende søvncyklus på Jorden. Partch bemærker, at det ville give den perfekte timing for at leve på Mars.

Partch oplever, at hendes stemme svigter hende mere i disse dage. Hun er tilfreds med en AI-genereret klon af sin stemme, som hun har fået, men hun har stadig skåret ned på taleoptrædener og rejser. Hendes fravær fra døgnmøder er iøjnefaldende for kolleger, beundrere og venner. Moderne kronobiologi er bygget på videnskabelige bidrag fra nobelprisvindere og andre berømte pionerer, men også af de strukturelle detaljer, som hun bragte frem i lyset. "Der er en meget rigere verden der," sagde Gardner. "Og Carrie Partch er den, der gav os det."

I Partchs stue, mens tågen ruller ud for at byde aftenen velkommen, taler hun og jeg om forfatteren Ursula Le Guin, hvis skønlitteratur ofte var optaget af tid. I hendes roman De borttagne, Le Guin skrev om at få tiden på din side - om at indrette dit liv, så dets passage bærer dig i en retning efter eget valg. "Det med at arbejde med tiden i stedet for imod den," skrev hun, "er, at det ikke er spildt. Selv smerte tæller.”

"Får du tiden på din side?" Jeg spørger.

"Ja," siger Partch. "Ja det tror jeg."