I våre mobilklokker har hun funnet en levetid med oppdagelser | Quanta Magazine

I morges, da solen kom opp, åpnet milliarder av mennesker øynene og slapp inn i kroppen en lysstråle fra verdensrommet. Da strømmen av fotoner traff netthinnen, skjøt nevroner. Og i hvert organ, i nesten hver celle, rørte forseggjort maskineri. Hver celles døgnklokke, et kompleks av proteiner hvis nivåer stiger og faller med solen, klikket i gir.

Den klokken synkroniserer kroppen vår til planetens lys-mørke syklus ved å kontrollere uttrykket av mer enn 40 % av genomet vårt. Gener for immunsignaler, hjernebudbringere og leverenzymer, for bare å nevne noen, blir alle transkribert for å lage proteiner når klokken sier at det er på tide.

Det betyr at du ikke biokjemisk er den samme personen klokken 10 som du er klokken 10. Det betyr at kveldene er en farligere tid å ta store doser av smertestillende paracetamol: Leverenzymer som beskytter mot overdose blir knappe da. Det betyr at vaksiner gis om morgenen og kvelden jobbe annerledes, og at nattskiftarbeidere, som kronisk ikke adlyder klokkene sine, har høyere forekomst av hjertesykdom og diabetes. Mennesker hvis klokker går fort eller sakte, er fanget i en fryktelig tilstand av evig jetlag.

"Vi er knyttet til denne dagen på måter som jeg tror folk bare skyver fra seg," forteller biokjemikeren Carrie Partch til meg. Hvis vi forstår klokken bedre, har hun hevdet, kan vi kanskje tilbakestille den. Med den informasjonen kan vi forme behandlingen av sykdommer, fra diabetes til kreft.

I mer enn et kvart århundre har Partch levd blant orkestratorene av døgnklokken, proteinene hvis stigning og fall styrer dens virkemåte. Som postdoktor produserte hun den første visualiseringen av det bundne proteinparet i hjertet, KLOKKE og BMAL1. Siden den gang har hun fortsatt å synliggjøre virvlene og vendingene til disse og andre klokkeproteinene mens hun kartlegger hvordan endringer i strukturen deres legger til eller trekker fra tid fra dagen. Hennes prestasjoner i jakten på den kunnskapen har gitt henne noen av de høyeste utmerkelsene innen dette vitenskapsfeltet: Margaret Oakley Dayhoff-prisen fra Biophysical Society i 2018, og National Academy of Sciences Award i molekylærbiologi i 2022.

Mens Partch snakker, skygger hennes følelse av tidens nådeløshet - det faktum at den forandrer oss, enten vi vil det eller ikke - stemmen hennes med stille presserende kraft. Hennes egen reise har tatt en uventet vending; på høyden av karrieren må hun gå tilbake fra laboratoriebenken. I 2020, i en alder av 47 år, ble hun diagnostisert med amyotrofisk lateral sklerose, også kjent som Lou Gehrigs sykdom. I gjennomsnitt lever folk tre til fem år etter å ha blitt diagnostisert med ALS.

Men det har ikke stoppet henne fra å tenke på klokkeproteinene.

Hun ser på dem med hodet på skrå, lyset som glitrer av brillene hennes, mens vi sitter i stua hennes i åsene nær Santa Cruz, California. Det er middag, omtrent seks timer siden solens fotoner drev CLOCK og BMAL1 til handling i cellene hennes og cellene til alle mennesker på vestkysten.

I tankene hennes kan hun se proteinene, hver et bånd av aminosyrer brettet rundt seg selv. BMAL1 har en slags midje som CLOCK spenner som en danser. Hver daggry tar paret seg opp på den tett viklede massen av genomet og tilkaller enzymene som transkriberer DNA. I løpet av dagen får de andre proteiner til å virvle ut av cellens maskineri, inkludert flere som til slutt formørker kraften deres. Tre proteiner finner håndtak på CLOCK og BMAL1 rundt kl. 10, gjør dem lydløse og fjerner dem fra genomet. Tidevannet av DNA-transkripsjon skifter. Til slutt, i dypet av natten, griper et fjerde protein et merke på enden av BMAL1 og forhindrer ytterligere aktivering.

Sekunder blir til minutter, minutter til timer. Tiden går. Gradvis forfaller den undertrykkende kvartetten av proteiner. I de små morgentimer lages det igjen KLOKKE og BMAL1 for å fornye syklusen.

Hver dag i livet ditt kobler dette systemet kroppens grunnleggende biologi til planetens bevegelse. Hver dag i livet ditt, så lenge det varer. Ingen forstår dette dypere enn Partch.

Kjemi og klokker

Sommeren før femte klasse, da Partch var 10 år gammel, brakk faren hennes, som var snekker, håndleddet når han spilte fotball. Mens han ventet på at det skulle gro, tok han kjemi ved den lokale samfunnshøgskolen. Han viste henne hvordan man balanserer en kjemisk ligning i hagen deres utenfor Seattle, på en tavle støttet mot et tre. Det var hennes introduksjon til kjemi.

"Jeg husker fortsatt at jeg tenkte hvordan den matematiske presisjonen i kjemi var så kul - veldig forskjellig fra biologien vi ble undervist på skolen i den alderen," sa hun.

Når hun husker studieårene sine ved University of Washington, innrømmer hun med en skjev latter at noe av det som hopper ut er minnene om å ha deltatt på konserter – å kjøre ned til Olympia for Sleater-Kinney-show, se Mudhoney og Nirvana – og gleden av bøker av forfattere som Ursula Le Guin. Men hun ble også fascinert av en klasse om kjemi av levende systemer. Etter endt utdanning gikk hun på jobb som tekniker ved Oregon Health and Science University i Portland. Hver dag ble hun mer forelsket i forskning. I 2000 flyttet hun og kjæresten James, en musiker og grafisk designer, til University of North Carolina, Chapel Hill, slik at hun kunne begynne på doktorgraden.

Rett etter at hun kom, møtte hun personen som skulle introdusere henne for klokken. Hun tok en klasse med molekylærbiologen Aziz Sancar, kjent for sitt arbeid med DNA-reparasjon. "Jeg ble slått av den vakre presisjonen han lærte oss grunnleggende vitenskapelige konsepter med," sa hun. "Jeg tenkte: 'Dude, denne fyren er så smart.'" Sancar, som ville vinne en nobelpris i 2015 studerte en klasse av proteiner kalt kryptokromer, som inkluderer klokkeproteinene CRY1 og CRY2. Hver organisme fra cyanobakterier til redwood-trær har en klokke, men proteinene som driver hvert system er forskjellige. Hos pattedyr er de viktigste proteinene bortsett fra CLOCK og BMAL1 former for PER og CRY.

Som doktorgradsstudent i Sancars laboratorium oppdaget Partch at CRY1 hadde en mystisk, ustrukturert hale. Ingen visste hva den delen av proteinet gjorde, men igjen, ingen visste egentlig hvordan noen av spolene og båndene til klokkeproteinene førte til deres bemerkelsesverdige effekter. Og til Partchs overraskelse så det ut til at ingen brydde seg særlig mye heller. Joseph Takahashi og hans kolleger ved Northwestern University hadde identifisert genene for CLOCK og BMAL1 til stor anerkjennelse bare noen få år før; den uuttalte antagelsen blant mange forskere var at de tunge løftene var gjort.

Det forble ikke engang usagt. På en konferanse i 2002 delte Partch med et par kolleger at hun ønsket å forstå strukturen til proteinene. "Hvorfor?" var deres svar: Vi vet allerede alt. Partch var høflig, men ettertrykkelig uenig.

Da hun ble uteksaminert, gikk hun på jobb ved University of Texas Southwestern Medical Center som postdoktor i laboratoriet til Kevin Gardner, en biokjemiker og strukturell biolog nå ved Advanced Science Research Center ved City University of New York Graduate Center. Der håpet hun at hun kunne se klokkeproteinene klarere ved å lære å bruke to vanskelige, men kraftige teknikker.

En poet av skygger

«Sirkelprotein berører kvadratisk protein er lik magi»: Det er slik Gardner oppsummerer vagheten om molekylær struktur som, ifølge hans erfaring, mange biologer er fornøyd med å akseptere, siden ingen kan fokusere på alle aspekter av hvert system. Men i Partch kjente han igjen en beslektet ånd, noen som var drevet til å ta fra hverandre proteiner og forstå dem, og begavet med et nesten encyklopedisk minne for litteraturen om døgnklokken.

I samarbeid med ham lærte Partch proteinkrystallografi: hvordan blande løsninger som et renset protein ville krystallisere fra; hvordan skinne røntgenstråler gjennom det krystallinske gitteret; hvordan man kan utlede proteinets form fra de subtile nyansene i diffraksjonsmønsteret. En krystallograf er som en poet av skygger - Rosalind Franklin, hvis bilder gjorde det mulig for Watson og Crick å utlede strukturen til DNA, var en krystallograf. For Partch lovet krystallografiens tåkete grå bilder en titt på strukturene hun planla å følge hele livet.

Likevel har krystallografien grenser. Det kan bare avsløre formene til proteiner som er stabile nok til å krystallisere, og det gir bare et øyeblikksbilde av de frosne strukturene. Partch visste at de statiske formene som representerte proteiner i lærebokdiagrammer tilslørte sannheten. Et protein kan knekke bena, vri seg som en skralle, eller krølle seg ut og brette seg til en merkelig ny form. Noen proteiner er også svært uordnede, med lange, floppy spaghetti-tråder av aminosyrer som forbinder deres mer ordnede regioner.

Det er derfor kjernemagnetisk resonansspektroskopi, eller NMR, også figurerte i Partchs plan. I NMR plasseres høyt rensede løsninger av protein i en magnet og treffes med radiobølger. De resulterende magnetiske forstyrrelsene av deres atomkjerner, kompilert og vist av programvare, kan avsløre arrangementet av et proteins atomer for et kresne øye. Hvis måleforholdene er riktig innstilt, kan du utlede hvordan et protein beveger seg når det binder en partner, hvordan det opplever en endring i temperatur eller hvordan det skifter fra en tilstand til en annen. Når Partch ser på en regnbuesprut av NMR-data på et XY-plot, ser hun de raske bevegelsene til metallbindende grupper og den langsomme foldingen av et protein.

Da avdelingen hennes ved UT Southwestern Medical Center rekrutterte Takahashi, genetikeren som hadde identifisert genene for CLOCK og BMAL1, "det er bedre å tro at jeg insinuerte meg selv," sa hun glad. Da hun forlot universitetet, hadde hun, Takahashi og deres kolleger produsert et bilde av CLOCK-BMAL1-komplekset gjennom krystallografi.

I 2011, da Partch flyttet sammen med James og deres unge sønn for å starte laboratoriet hennes ved University of California, Santa Cruz, begynte hun fra bunnen av. Hun hadde ingen prosjekter fra postdoktoren for å fortsette. Hun hadde bare sin egen visjon for å forstå klokken og til slutt verktøyene til å realisere den.

Proteinurverket

Utenfor vinduet til Partchs UCSC-kontor filtrerer sjakter av lys gjennom redwood-blader. Den fysiske vitenskapsbygningen ligger i en skog, der slimsopp blomstrer og trær vipper bladene i lydighet til sine egne døgnklokker. Inne i studentene og turgåerne på kryss og tvers av skogens mosegrodde gulv, er CLOCK, BMAL1 og deres ledsagermolekyler i full gang med å produsere kroppens ettermiddagscocktail av proteiner. Det var her Partch fikk sjansen til å se dypere på tidens biomekanikk.

Fra begynnelsen var hun på vei inn i ukjent territorium. "Carrie er ekstremt unik," sa Brian Zoltowski fra Southern Methodist University, som var postdoktor i Gardners laboratorium sammen med henne. Han kan telle på én hånd laboratoriene som fokuserer på pattedyrklokkens nitty-gritty strukturelle biologi. Ferdighetene som kreves er esoteriske, og risikoen for å bruke mange års innsats for liten fremgang er stor.

Likevel vasset Partch inn i det ukjente og begynte å sende tilbake utsendelser. Med eleven sin Chelsea Gustafson og Haiyan Xu fra University of Memphis fant hun at CRY1 demper BMAL1 ved å binde seg konkurransedyktig til dets vrikkende, uordnet hale; hvis halen er mutert, svinger klokken av tempo eller går helt i oppløsning. Med eleven sin Alicia Michael, fant hun ut at CLOCK nestles mot CRY1 ved å tre en løkke i en lomme på den; hvis en mutasjon ødelegger lommen, vil de to ikke binde seg. En mutasjon i PER2 gjør at den passer dårligere mot sine bindingspartnere og gjør den sårbar for nedbrytning; den feilen øker klokken med en og en halv time. Orienteringen av en enkeltbinding i halen til BMAL1 kan forkorte dagen. Bitene av urverket begynte å dukke opp fra mørket.

Hun gjorde seg bemerket som en samler av alle endringene som kan få klokken til å få fart på klokken, bremse den eller stille den helt stille. "Carrie prøver å bore ned til nivået for å forstå hva de individuelle proteinbevegelsene er," sa Zoltowski. Jo lengre tid Partch brukte med de morphing-klokkeproteinene, desto bedre kunne hun se dem i hodet og forstå hvordan de kan reagere på et medikament eller en mutasjon.

Funnene hennes ga kronobiologi et nytt syn på hvordan klokkeproteiner fungerer. "Det Carrie har oppdaget om og om igjen er at mye av den viktige biologien kommer fra delene av proteinene som er ustrukturerte, svært fleksible og dynamiske," sa Andy LiWang fra University of California, Merced, en strukturell biolog som studerer klokken i cyanobakterier. "Det hun gjør med NMR er heroisk."

I 2018 hadde Partch vunnet priser og samlet en formidabel portefølje av tilskudd. Hun satt i styrene i lærde samfunn. Hun hadde fått en sønn nummer to og rekrutterte en gruppe studenter og postdoktorer inspirert av hennes visjon. Priya Crosby, en nylig postdoktor i laboratoriet hennes, husker hun møtte Partch på en fest og følte seg ærefrykt. Partchs lidenskap for å forstå klokken var til å ta og føle på, og hun så ut til å ha alle data om den for hånden.

Det var rundt da hendene hennes begynte å gripe seg.

En skiftenøkkel i arbeid

Først var det småting. "Hendene mine ville fryse i et sekund," sa hun. "Du vet at det ikke er riktig." Legene antydet at det var stress. Det var ikke før i juni 2020, da hun kom tilbake til laboratoriet sitt etter måneder i Covid-19-pandemisperringen og fant ut at trappen var utmattet henne, at hun presset på for et bedre svar. Nesten seks måneder senere hadde hun en diagnose: ALS, eller amyotrofisk lateral sklerose.

ALS dreper motoriske nevroner og ødelegger evnen til å kontrollere bevegelser. Finmotorikk går først, etterfulgt av evnen til å gå og snakke. Til slutt forsvinner nevroner som kontrollerer pusten. Etter en diagnose har folk en tendens til å leve bare en håndfull år.

Partch elsket å jobbe på laboratoriebenken. Blant studentene hennes var hun kjent for å ha utført foreløpige eksperimenter selv for å se om en idé hadde potensiale. Hun var et kjent syn i laboratoriet, som travet rundt med isbøtter besatt med rør med protein.

"Min siste proteinforberedelse var i januar, for omtrent to år siden," husket hun. "At papir inn Natur — Vi hadde den opprinnelige strukturen. Vi prøvde å lage mutasjoner for å se om den holdt vann. … Jeg kom meg gjennom halvparten av mutantene, og jeg sa: 'Herregud.'» Isbøtta føltes som bly i armene hennes.

Partch bruker nå en motorisert rullestol. Knapper ble installert i laboratoriebygningen slik at hun kunne åpne dører, og James kjører henne på jobb. Hun jobber fortsatt fulltid – møte med studenter, fyre av e-poster, finne på nye eksperimenter. Å snakke har blitt vanskeligere, men sinnet hennes er upåvirket. Noen ganger ser det ut til at de ukjente reiser seg og sorgen truer med å overvelde henne, men hun lar disse øyeblikkene passere. "Jeg prøver å leve," sa hun.

Det er fortsatt i dag. Og i dag og i dag og i dag, så lenge syklusen kan gjenta seg.

Universelle sannheter i tiden

Det er en tåkete morgen i mai, omtrent fire timer inn i CLOCK og BMAL1s dans. På Partchs kontor har hun og Diksha Sharma, en doktorgradsstudent i laboratoriet, diskuterer lidenskapen deres for de foldede proteinsegmentene kalt PAS-domener. "Vi er som to erter i en belg," sier Partch. Sharma tester om PAS-domenene i CLOCK og BMAL1 kan målrettes av et bibliotek med medisiner for kontroll over klokken. "Det er gjennomførbart, tror vi," sier Partch.

I laboratorierommet er en klynge av studenter og postdoktorer i arbeid. Rafael Robles vinker og smiler fra en benk der han gjør klar rør for et proteinpreparat. Det er færre studenter enn det pleide å være, kanskje fordi Partch ikke lenger underviser. Hennes doktorgradsstudent Megan Torgrimson, som tok Partchs klasse på college, husker hennes magnetisme som foreleser. Men mens Partch likte å ha yngre mentees rundt, begrunner hun at mer plass for alle å jobbe i ikke er en dårlig ting. "Hvert enkelt prosjekt i laboratoriet akkurat nå er jeg så begeistret for," sier hun.

De siste tre årene har mange langvarige prosjekter kommet i mål. På en skjerm i laben, postdok Jon Philpott trekker opp en figur fra gruppens nytt papir in Molekylær celle, angående en mutasjon i PER2 assosiert med familiær søvnfaseforstyrrelse, en tilstand som forkorter den daglige syklusen med hele fire timer. Han påpeker i figuren hvordan PER2 er en masse av stort sett uordnede regioner. "Dette er regioner som er ekstremt viktige," sier han. Inntil Partch viste noe annet, "pleide de fleste å tro at lidelse var de ikke-funksjonelle bitene."

På et laboratoriemøte leder de yngre forskerne diskusjonen om nye data. Partch sitter i rullestolen og lytter, av og til kimer inn. "Laboratoriet har vært kjempebra til å håndtere usikkerheten" til diagnosen, forteller hun meg. Nå som hun ikke lenger kan gjøre eksperimenter selv, fokuserer hun mye av energien på å styre dem i riktig retning.

Partch tenker mer og mer i disse dager på hva som er universelt i livets måling av tid. For noen år siden inviterte LiWang henne til å jobbe med ham på klokken i cyanobakterier, som ikke har noen deler til felles med den menneskelige klokken. Den består av bare tre proteiner kalt KaiA, KaiB og KaiC, hvis aktivitet stiger og faller i en 24-timers rytme, og deres to bindingspartnere, som driver oversettelse av gener. I 2017 ble teamet ledet av LiWang og Partch utgitt detaljerte strukturer av hvert av kompleksene, og avslører foldene og vendingene som lar dem feste seg til hverandre. Senere viste gruppen at de kunne putte klokkeproteinene i et reagensrør og få dem til å sykle i dager, ja måneder.

De var dypt opptatt av å registrere hvordan den syklusen ble drevet da Partch gjenkjente noe hun hadde sett mens hun studerte den menneskelige klokken: konkurranse. Den lille taggen der CRY1 binder seg til BMAL1 er også der en av BMAL1s sterkeste aktivatorer binder. Hvis CRY1 utkonkurrerer den aktivatoren og tar sin plass på taggen, kan klokken bare gå fremover. Det er låst inn i denne prosessen, og venter ut minuttene og timene til CRY1-proteinets binding forfaller og klokkens syklus begynner igjen.

I den cyanobakterielle klokken, innså Partch, fungerer konkurranse mellom komponentene på samme måte. Det dukker også opp i klokkene til organismer som ormer og sopp. "Dette ser ut til å være et bevart prinsipp i veldig, veldig forskjellige klokker," sa hun. Hun lurer på om det reflekterer en grunnleggende biofysisk sannhet om hvordan naturen lager maskiner som marsjerer fremover i tid, og følger en vei de ikke kan vike fra.

Tidspunktet for livet på Mars

En daggry til. Solens lys stråler gjennom de kalde delene av verdensrommet, ned til jorden, inn i de kinablå øynene til Carrie Partch. CLOCK og BMAL1 begynner dansen. Hun går på jobb. Hun henger med guttene sine, som er 13 og 18. Den yngste, som liker å gå ned i YouTube-kaninhull om kjemi, insisterer på at de skal se en fantastisk klønete timelang video sammen om å isolere vanillin fra gummihansker og endre det til varm saus. Hun tenker på båndene og spolene til klokkeproteiner. Noen mennesker som står overfor diagnosen hennes kan bestemme at det er på tide å gjøre noe annerledes, men Partch har aldri vurdert å vende seg bort fra klokken. Hun vil vite slutten på for mange historier.

Når hun ser for seg en fremtid der vi virkelig forstår døgnbiologi, ser hun for seg at hun vet hva noens klokke gjør når som helst på dagen. Som svar på en utlysning av forslag fra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), fant hun og kolleger en gang ideen om en nesesonde som kunne vurdere tilstanden til klokken din, overføre data om den og kanskje til og med endre den. Det er kjent at DARPA favoriserer fjerntliggende forslag, men Partch spøker med at de gikk ut av DARPA, siden de ikke fikk pengene. Hun tenker fortsatt på potensialet til den enheten.

Av alle de virvlende planetene i solsystemet er det denne, med sitt 24-timers døgn, som har formet oss. Av den grunn er det betydelige spørsmål om hvordan mennesker vil holde seg friske hvis vi noen gang prøver å leve på andre planeter. Som en karusell hvis rotasjon virker skånsom til du prøver å gå av, kan de jordiske syklusene som er inngrodd i cellene våre, trekke på oss farlig. "De binder oss virkelig til jorden," sa Partch.

Men hun ser for seg å kunne justere dynamikken til CLOCK, BMAL1 eller en av deres mange partnere slik at romreisende ikke blir syke av ødelagte klokker. Naturen gir litt inspirasjon: En mutasjon i CRY1 oppdaget i laboratoriet til Michael Young ved Rockefeller University forlenger menneskers døgnsyklus med omtrent 40 minutter, og dømmer bærerne til en evig uoverensstemmende søvnsyklus på jorden. Partch bemerker at det ville gi den perfekte timingen for å leve på Mars.

Partch opplever at stemmen hennes svikter henne mer i disse dager. Hun er fornøyd med en AI-generert klon av stemmen hun har fått, men hun har fortsatt kuttet ned på taleopptredener og reiser. Hennes fravær fra døgnmøter er iøynefallende for kolleger, beundrere og venner. Moderne kronobiologi er bygget på vitenskapelige bidrag fra nobelprisvinnere og andre kjente pionerer, men også av de strukturelle detaljene hun brakte frem i lyset. "Det er en mye rikere verden der," sa Gardner. "Og Carrie Partch er den som ga det til oss."

I Partchs stue, mens tåken ruller ut for å ønske kvelden velkommen, snakker hun og jeg om forfatteren Ursula Le Guin, hvis skjønnlitteratur ofte var opptatt av tid. I hennes roman Den disponerte, Le Guin skrev om å få tiden på din side - om å innrette livet ditt slik at dets passasje bærer deg i en retning du velger. "Det med å jobbe med tiden, i stedet for mot den," skrev hun, "er at det ikke er bortkastet. Selv smerte teller."

"Får du tiden på din side?" Jeg spør.

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