V naših mobilnih urah je našla celo življenje odkritij | Revija Quanta

Danes zjutraj, ko je sonce vzšlo, je na milijarde ljudi odprlo oči in v svoja telesa spustilo žarek svetlobe iz vesolja. Ko je tok fotonov zadel mrežnico, so se sprožili nevroni. In v vsakem organu, v skoraj vsaki celici, so se zganili izdelani stroji. Cirkadiana ura vsake celice, kompleks beljakovin, katerih ravni se dvigajo in padajo s soncem, se je vklopila.

Ta ura sinhronizira naša telesa s ciklom svetlobe in teme na planetu, tako da nadzoruje izražanje več kot 40 % našega genoma. Geni za imunske signale, možganske prenašalce sporočil in jetrne encime, če jih naštejemo le nekaj, se vsi prepišejo za izdelavo beljakovin, ko ura reče, da je čas.

To pomeni, da biokemično niste ista oseba ob 10. uri, kot ste ob 10. uri. To pomeni, da je večer bolj nevaren čas za jemanje velikih odmerkov protibolečinskega sredstva acetaminophen: jetrnih encimov, ki ščitijo pred prevelikim odmerkom, takrat postane malo. To pomeni, da se cepiva dajejo zjutraj in zvečer delati drugače, in da imajo delavci v nočnih izmenah, ki kronično ne držijo ure, večjo stopnjo bolezni srca in sladkorne bolezni. Ljudje, katerih ure tečejo hitro ali počasi, so ujeti v ostudnem stanju nenehnega časovnega zamika.

»Z današnjim dnem smo povezani na načine, za katere menim, da se ljudje preprosto odrivajo,« mi pravi biokemičarka Carrie Partch. Če bolje razumemo uro, je trdila, bi jo morda lahko ponastavili. S temi informacijami bi lahko oblikovali zdravljenje bolezni, od sladkorne bolezni do raka.

Več kot četrt stoletja je Partch živel med orkestratorji cirkadiane ure, beljakovinami, katerih vzponi in padci nadzorujejo njeno delovanje. Kot podoktorica je producirala prva vizualizacija vezanega para proteinov v njegovem srcu, CLOCK in BMAL1. Od takrat je še naprej prikazovala vijuge in zasuke teh in drugih proteinov ure, medtem ko prikazuje, kako spremembe njihove strukture dodajajo ali odvzemajo čas dnevu. Njeni dosežki pri iskanju tega znanja so ji prinesli nekaj najvišjih priznanj na tem področju znanosti: Nagrada Margaret Oakley Dayhoff iz Biofizikalnega društva leta 2018 in Nagrada Nacionalne akademije znanosti iz molekularne biologije leta 2022.

Ko Partch govori, njen občutek za neizprosnost časa – dejstvo, da nas spreminja, če to želimo ali ne – zasenči njen glas s tiho naglico. Njeno potovanje se je nepričakovano obrnilo; na vrhuncu svoje kariere se mora umakniti iz laboratorijske klopi. Leta 2020 so ji pri 47 letih diagnosticirali amiotrofično lateralno sklerozo, znano tudi kot Lou Gehrigova bolezen. V povprečju ljudje živijo tri do pet let po diagnozi ALS.

Toda to je ni ustavilo pri razmišljanju o beljakovinah ure.

Razmišlja o njih, z nagnjeno glavo in svetlobo, ki ji blešči na njenih očalih, medtem ko sediva v njeni dnevni sobi v hribih blizu Santa Cruza v Kaliforniji. Poldan je, približno šest ur, odkar so sončni fotoni pognali CLOCK in BMAL1 v akcijo v njenih celicah in celicah vsakega človeka na Zahodni obali.

V svojih mislih lahko vidi beljakovine, od katerih je vsaka trak aminokislin, zvit okoli sebe. BMAL1 ima nekakšen pas, ki se CLOCK oprime kot plesalec. Vsako zori se par zavzame na gosto zviti masi genoma in prikliče encime, ki prepisujejo DNK. Tekom dneva povzročijo, da se drugi proteini vrtinčijo iz celičnega stroja, vključno s številnimi, ki sčasoma zasenčijo njihovo moč. Trije proteini okoli 1. ure najdejo roke na CLOCK in BMAL10, jih utišajo in odstranijo iz genoma. Plima prepisovanja DNK se spreminja. Končno, globoko v noči, četrti protein prime oznako na koncu BMAL1 in prepreči kakršno koli nadaljnjo aktivacijo.

Sekunde se spremenijo v minute, minute v ure. Čas teče. Postopoma represivni kvartet beljakovin propada. V zgodnjih jutranjih urah sta CLOCK in BMAL1 ponovno pripravljena obnoviti cikel.

Vsak dan vašega življenja ta sistem povezuje temeljno biologijo telesa z gibanjem planeta. Vsak dan svojega življenja, dokler traja. Nihče tega ne razume globlje od Partcha.

Kemija in ure

Poleti pred petim razredom, ko je bila Partchova stara 10 let, si je njen oče, ki je bil mizar, med igranjem nogometa zlomil zapestje. Medtem ko je čakal, da se zaceli, je obiskoval kemijo na lokalni šoli. Pokazal ji je, kako uravnotežiti kemijsko enačbo na njihovem dvorišču zunaj Seattla, na tabli, naslonjeni na drevo. To je bil njen uvod v kemijo.

"Še vedno se spomnim, da sem razmišljala, kako je matematična natančnost kemije tako kul - zelo drugačna od biologije, ki so nas jo učili v šoli v tej starosti," je dejala.

Ko se spominja svojih študentskih let na Univerzi v Washingtonu, s hudomušnim smehom prizna, da nekaj, kar preskoči, so spomini na obiskovanje koncertov – vožnja v Olympio na predstave Sleater-Kinney, ogled Mudhoney in Nirvana – in njeno uživanje v knjige avtorjev, kot je Ursula Le Guin. Navdušil pa jo je tudi tečaj kemije živih sistemov. Po diplomi je šla delati kot tehnik na Oregon Health and Science University v Portlandu. Vsak dan bolj se je zaljubljala v raziskovanje. Leta 2000 sta se s fantom Jamesom, glasbenikom in grafičnim oblikovalcem, preselila na univerzo v Severni Karolini, Chapel Hill, da je lahko začela doktorirati.

Kmalu po prihodu je spoznala osebo, ki ji je predstavila uro. Učila se je pri molekularnem biologu Aziz Sancar, znan po svojem delu na področju popravljanja DNK. »Presenetila me je čudovita natančnost, s katero nas je učil osnovnih znanstvenih konceptov,« je dejala. »Rekel sem si, 'Stari, ta tip je tako pameten.'« Sancar, ki bi osvojiti Nobelovo nagrado leta 2015 preučevala razred proteinov, imenovanih kriptokromi, ki vključuje proteina ure CRY1 in CRY2. Vsak organizem od cianobakterij do sekvoj ima uro, vendar so beljakovine, ki poganjajo vsak sistem, drugačne. Pri sesalcih sta najpomembnejši proteini poleg CLOCK in BMAL1 obliki PER in CRY.

Kot podiplomski študent v Sancarjevem laboratoriju je Partch odkril, da ima CRY1 skrivnosten, nestrukturiran rep. Nihče ni vedel, kaj je ta del proteina naredil, a spet nihče ni vedel, kako je katera od tuljav in trakov urnih proteinov povzročila njihove izjemne učinke. In na Partchevo presenečenje, se je zdelo, da nikomur ni prav veliko mar. Joseph Takahashi in njegovi kolegi na univerzi Northwestern so le nekaj let pred tem natančno določili gene za CLOCK in BMAL1, ki so jih zelo pohvalili; neizrečena predpostavka med mnogimi znanstveniki je bila, da je bilo težko dvigovanje opravljeno.

Niti ni ostalo neizrečeno. Na konferenci leta 2002 je Partch z nekaj kolegi povedala, da želi razumeti strukturo beljakovin. "Zakaj?" je bil njihov odgovor: Saj že vse vemo. Partch se vljudno, a odločno ni strinjal.

Ko je diplomirala, je odšla delati na Southwestern Medical Center Univerze v Teksasu kot podoktorska doktorica v laboratoriju za Kevin Gardner, biokemik in strukturni biolog, ki je zdaj v Centru za napredne znanstvene raziskave na Mestni univerzi v New Yorku. Tam je upala, da bo lahko jasneje videla beljakovine ure, če se bo naučila uporabljati dve zapleteni, a močni tehniki.

Pesnik senc

"Krožni protein se dotakne kvadratnega proteina je enako magični": tako Gardner povzema nejasnost glede molekularne strukture, ki jo po njegovih izkušnjah mnogi biologi z veseljem sprejmejo, saj se nihče ne more osredotočiti na vsak vidik vsakega sistema. Toda v Partchu je prepoznal sorodno dušo, nekoga, ki ga žene razstaviti proteine ​​in jih razumeti, in nadarjenega s skoraj enciklopedičnim spominom za literaturo o cirkadiani uri.

Pri delu z njim se je Partch naučil proteinske kristalografije: kako mešati raztopine, iz katerih bi kristaliziral prečiščen protein; kako posvetiti rentgenske žarke skozi to kristalno mrežo; kako sklepati o obliki proteina iz subtilnih odtenkov v uklonskem vzorcu. Kristalograf je kot pesnik senc - Rosalind Franklin, čigar slike so Watsonu in Cricku omogočile sklepanje o strukturi DNK, je bila kristalografinja. Za Partcha so kristalografske meglene sive slike obljubljale vpogled v strukture, ki jim je nameravala slediti vse življenje.

Vendar ima kristalografija meje. Razkrije lahko samo oblike proteinov, ki so dovolj stabilni, da kristalizirajo, in zagotavlja le posnetek teh zamrznjenih struktur. Partch je vedel, da statične oblike, ki predstavljajo proteine ​​v učbeniških diagramih, zakrivajo resnico. Protein si lahko prereže noge, se zvije kot raglja ali se odvije in zloži v nenavadno novo obliko. Nekatere beljakovine so tudi močno neurejene, z dolgimi, mehkimi špageti aminokislin, ki povezujejo njihove bolj urejene regije.

Zato se je v Partchevem načrtu pojavila tudi jedrska magnetnoresonančna spektroskopija ali NMR. Pri NMR se visoko prečiščene raztopine beljakovin postavijo v magnet in udarijo z radijskimi valovi. Posledične magnetne motnje njihovih atomskih jeder, ki jih zbere in prikaže programska oprema, lahko pronicljivemu očesu razkrijejo razporeditev atomov beljakovine. Če so merilni pogoji pravilno nastavljeni, lahko sklepate, kako se beljakovina premika, ko veže partnerja, kako doživi spremembo temperature ali kako se premakne iz enega stanja v drugega. Ko Partch pogleda mavrični niz podatkov NMR na grafu XY, vidi hitre premike skupin, ki vežejo kovine, in počasno zvijanje proteina.

Ko je njen oddelek v UT Southwestern Medical Center zaposlil Takahashija, genetika, ki je identificiral gene za CLOCK in BMAL1, »bolje verjemite, da sem namignila,« je veselo rekla. Ko je zapustila univerzo, so ona, Takahashi in njihovi kolegi izdelali sliko kompleksa CLOCK-BMAL1 s pomočjo kristalografije.

Leta 2011, ko se je Partch preselil z Jamesom in njunim mladim sinom, da bi začel njen laboratorij na kalifornijski univerzi v Santa Cruzu je začela iz nič. Od podoktorskega študija ni imela projektov, ki bi jih lahko nadaljevala. Imela je le posebnost svoje vizije, da je razumela uro in končno orodja, da jo je uresničila.

Proteinski urni mehanizem

Zunaj okna Partcheve pisarne UCSC jaški svetlobnega filtra skozi liste sekvoje. Stavba fizikalne znanosti je ugnezdena v gozdu, kjer cvetijo sluzaste plesni in drevesa nagibajo svoje liste v poslušnosti lastnim cirkadianim uram. Znotraj študentov in pohodnikov, ki prečkajo mahovita tla gozda, so CLOCK, BMAL1 in njihove spremljevalne molekule zaposlene s proizvodnjo popoldanskega koktajla beljakovin za telo. Tu je Partch dobil priložnost globlje pogledati v biomehaniko časa.

Že od začetka se je odpravljala na neznano ozemlje. "Carrie je izjemno edinstvena," je rekel Brian Zoltowski Southern Methodist University, ki je bil z njo na podoktorskem študiju v Gardnerjevem laboratoriju. Na eni roki lahko prešteje laboratorije, ki se osredotočajo na podrobno strukturno biologijo ure pri sesalcih. Zahtevane veščine so ezoterične in tveganje, da boste porabili leta truda za majhen napredek, je veliko.

Kljub temu je Partch zabredel v neznano in začel pošiljati depeše nazaj. S svojim študentom Chelsea Gustafson in Haiyan Xu z Univerze v Memphisu je ugotovila, da CRY1 utiša BMAL1 tako, da se konkurenčno veže na zvijanje, neurejen rep; če je rep mutiran, ura skrene tempo ali celo popolnoma razpade. S svojim študentom Alicia Michael, je ugotovila, da se CLOCK z navojem ugnezdi proti CRY1 zanko v žep na njem; če mutacija uniči žep, se ne bosta povezala. Zaradi mutacije v PER2 se slabše prilega svojim veznim partnerjem in ga upodablja dovzetni za degradacijo; ta napaka premakne uro za uro in pol. Usmerjenost enojne vezi v repu BMAL1 lahko skrajšati dan. Kosi urnega mehanizma so se začeli pojavljati iz teme.

Je zaslovela kot zbiratelj vseh sprememb, ki jih lahko uro pospeši, upočasni ali povsem utiša. "Carrie se poskuša poglobiti do ravni razumevanja, kakšna so gibanja posameznih beljakovin," je dejal Zoltowski. Dlje ko je Partch preživela s preoblikovanimi proteini ure, bolje jih je videla v svojih mislih in razumela, kako se lahko odzovejo na zdravilo ali mutacijo.

Njene ugotovitve so kronobiologiji dale nov pogled na delovanje beljakovin ure. "Carrie je znova in znova odkrivala, da veliko pomembne biologije izvira iz delov beljakovin, ki so nestrukturirani, zelo prilagodljivi in ​​dinamični," je dejal. Andy LiWang s kalifornijske univerze v Mercedu, strukturni biolog, ki proučuje uro pri cianobakterijah. "To, kar počne z NMR, je herojsko."

Do leta 2018 je Partch prejel nagrade in zbral izjemen portfelj nepovratnih sredstev. Sedela je v odborih učenih društev. Imela je drugega sina in zaposlila skupino študentov in podoktorjev, ki jih je navdihnila njena vizija. Priya Crosby, ki je pred kratkim pridobila podoktorski študij v svojem laboratoriju, se spominja, da je Partcha srečala na zabavi in ​​občutila strahospoštovanje. Partchina strast do razumevanja ure je bila očitna in zdelo se je, da ima vse podatke o njej na dosegu roke.

Približno takrat so se ji začele stiskati roke.

Ključ v delu

Sprva so bile malenkosti. "Roke bi mi zmrznile za trenutek," je rekla. "Veš, da to ni prav." Zdravniki so domnevali, da je šlo za stres. Šele junija 2020, ko se je vrnila v svoj laboratorij po mesecih zaprtja zaradi pandemije Covid-19 in ugotovila, da so jo stopnice izčrpale, si je prizadevala za boljši odgovor. Skoraj šest mesecev kasneje je imela diagnozo: ALS ali amiotrofična lateralna skleroza.

ALS ubija motorične nevrone in uničuje sposobnost nadzora gibov. Na prvem mestu je fina motorika, nato pa sposobnost hoje in govora. Sčasoma nevroni, ki nadzorujejo dihanje, izginejo. Po diagnozi ljudje običajno živijo le nekaj let.

Partch je rad delal v laboratoriju. Med svojimi študenti je bila znana po tem, da je sama izvajala preliminarne poskuse, da bi ugotovila, ali ima ideja potencial. Bila je znan prizor v laboratoriju, ko se je premetavala z vedri ledu, posejanimi s tubami beljakovin.

"Moja zadnja priprava na beljakovine je bila januarja pred približno dvema letoma," se je spomnila. »To papir v Narava — imeli smo začetno strukturo. Poskušali smo narediti mutacije, da bi videli, ali drži vodo. … Prestal sem skozi polovico mutantov in rekel sem si, 'O moj bog.'« Vedro ledu je bilo v njenih rokah kot svinec.

Partch zdaj uporablja invalidski voziček z motorjem. V laboratorijski zgradbi so ji namestili gumbe za odpiranje vrat in James jo vozi v službo. Še vedno dela s polnim delovnim časom - srečuje se s študenti, pošilja e-pošto, sanja o novih poskusih. Težje je govoriti, vendar njen um ni prizadet. Včasih se zdi, da se neznano dvigne in grozi, da jo bo premagala žalost, vendar pusti, da ti trenutki minejo. "Poskušam živeti," je rekla.

Obstaja še danes. In danes in danes in danes, dokler se cikel lahko ponavlja.

Univerzalne resnice časa

Megleno majsko jutro je, približno štiri ure po uri in plesu BMAL1. V Partchevi pisarni sta ona in Diksha Sharma, podiplomski študent v laboratoriju, razpravljata o svoji strasti do prepognjenih proteinskih segmentov, imenovanih PAS domene. »Smo kot dva graha v stroku,« pravi Partch. Sharma preizkuša, ali je mogoče domeni PAS v CLOCK in BMAL1 ciljati s knjižnico zdravil za nadzor nad uro. "Mislimo, da je to izvedljivo," pravi Partch.

V laboratoriju dela skupina študentov in podoktorjev. Rafael Robles maha in se smehlja iz klopi, kjer pripravlja tube za beljakovinski pripravek. Dodiplomskih študentov je manj kot nekoč, morda zato, ker Partch ne poučuje več. Njen diplomant Megan Torgrimson, ki je obiskovala Partchevo predavanje na fakulteti, se spominja svojega magnetizma kot predavateljica. Medtem ko je Partch uživala, ko je imela v bližini mlajše mentorirance, meni, da več prostora za delo ni slaba stvar. »Tako sem navdušena nad vsakim projektom v laboratoriju,« pravi.

V zadnjih treh letih so se uresničili številni dolgoletni projekti. Na zaslonu v laboratoriju postdoc Jon Philpott potegne figuro iz skupine nov papir in Molekularna celica, ki zadeva mutacijo v PER2, povezano z družinsko motnjo faze spanja, stanjem, ki skrajša dnevni cikel za neverjetne štiri ure. Na sliki pokaže, kako je PER2 množica večinoma neurejenih regij. "To so regije, ki so izjemno pomembne," pravi. Dokler Partch ni pokazal drugače, je "večina ljudi mislila, da so motnja nefunkcionalni deli."

Na laboratorijskem sestanku mlajši znanstveniki vodijo razpravo o novih podatkih. Partch sedi v svojem invalidskem vozičku in posluša ter se občasno oglasi. »Laboratorij se je odlično spoprijel z negotovostjo« diagnoze, mi pove. Zdaj, ko sama ne more več izvajati eksperimentov, veliko svoje energije usmeri v to, da jih usmeri v pravo smer.

Partch te dni vedno bolj razmišlja o tem, kaj je univerzalnega v življenjskem merjenju časa. Pred nekaj leti jo je LiWang povabil k sodelovanju pri uri v cianobakterijah, ki nima skupnih delov s človeško uro. Sestavljen je iz samo treh proteinov, imenovanih KaiA, KaiB in KaiC, katerih aktivnost narašča in pada v 24-urnem ritmu, ter njihovih dveh veznih partnerjev, ki poganjata prevajanje genov. Leta 2017 je ekipa pod vodstvom LiWanga in Partcha izdal podrobne strukture vsakega od kompleksov, ki razkrivajo gube in zasuke, ki jim omogočajo, da se pritrdijo drug na drugega. Kasneje je skupina pokazala, da bi lahko proteine ​​ure postavili v epruveto in jih pripravili do cikla dni, celo mesecev.

Poglobljeno so se ukvarjali s snemanjem tega cikla, ko je Partch prepoznala nekaj, kar je videla med preučevanjem človeške ure: tekmovanje. Majhna oznaka, kjer se CRY1 veže na BMAL1, je tudi mesto, kjer se veže eden najmočnejših aktivatorjev BMAL1. Če CRY1 premaga ta aktivator in zavzame svoje mesto na oznaki, se lahko ura pomakne samo naprej. Zaklenjen je v ta proces in čaka na minute in ure, dokler vez proteina CRY1 ne razpade in se urni cikel znova začne.

Partch je ugotovil, da v cianobakterijski uri tekmovanje med komponentami deluje na enak način. Pojavi se tudi v urah organizmov, kot so črvi in ​​glive. "Zdi se, da je to ohranjeno načelo v zelo, zelo različnih urah," je dejala. Sprašuje se, ali odraža temeljno biofizično resnico o tem, kako narava ustvarja stroje, ki korakajo naprej v času in sledijo poti, s katere ne morejo skreniti.

Čas za življenje na Marsu

Še ena zora. Sončna svetloba žari skozi mrzle meje vesolja, do Zemlje, v kitajsko modre oči Carrie Partch. CLOCK in BMAL1 začneta svoj ples. Ona hodi v službo. Druži se s svojima fantoma, ki sta stara 13 in 18 let. Mlajši, ki rad brska po YouTubovih zajčjih luknjah o kemiji, vztraja, da si skupaj ogledata čudovito neumen enourni video o izolaciji vanilina iz gumijastih rokavic in njegovem spreminjanju v pekočo omako. Razmišlja o trakovih in tuljavah urnih proteinov. Nekateri ljudje, ki se soočijo z njeno diagnozo, bi se morda odločili, da je čas, da naredijo nekaj drugače, vendar Partch nikoli ni pomislila, da bi odvrnila od ure. Želi izvedeti konec preveč zgodb.

Ko si predstavlja prihodnost, v kateri resnično razumemo cirkadiano biologijo, si predstavlja, da ve, kaj počne ura nekoga v katerem koli trenutku dneva. Kot odgovor na razpis Agencije za napredne obrambne raziskovalne projekte (DARPA) je nekoč s kolegi zamislila idejo o nosni sondi, ki bi lahko ocenila stanje vaše ure, posredovala podatke o njej in jo morda celo spremenila. Znano je, da je DARPA naklonjena pretiranim predlogom, vendar se Partch šali, da so presegli DARPA, ker niso dobili denarja. Še vedno razmišlja o potencialu te naprave.

Od vseh vrtinčastih planetov osončja nas je prav ta s svojim 24-urnim dnevom oblikoval. Zato obstajajo pomembna vprašanja o tem, kako bomo ljudje ostali zdravi, če bomo kdaj poskušali živeti na drugih planetih. Kot vrtiljak, katerega vrtenje se zdi nežno, dokler ne poskušate spustiti, nas lahko zemeljski cikli, zakoreninjeni v naših celicah, nevarno pritegnejo. "Resnično nas vežejo na Zemljo," je dejal Partch.

Predstavlja pa si, da bi lahko prilagodila dinamiko CLOCK, BMAL1 ali enega od njihovih številnih partnerjev, tako da vesoljski popotniki ne bi zboleli zaradi poškodovanih ur. Narava ponuja nekaj navdiha: mutacija v CRY1, odkrita v laboratoriju Michael mlad na Univerzi Rockefeller podaljša človeški cirkadiani cikel za približno 40 minut in njegove nosilce obsodi na nenehno neusklajen cikel spanja na Zemlji. Partch ugotavlja, da bi zagotovil popoln čas za življenje na Marsu.

Partch ugotavlja, da ji te dni glas bolj popušča. Zadovoljna je s klonom svojega glasu, ki ga je ustvarila umetna inteligenca, vendar je vseeno zmanjšala nastope in potovanja. Kolegom, občudovalcem in prijateljem je očitna njena odsotnost s srečanj cirkadiane ure. Sodobna kronobiologija temelji na znanstvenih prispevkih dobitnikov Nobelove nagrade in drugih slavnih pionirjev, pa tudi na strukturnih podrobnostih, ki jih je razkrila. "Tam je veliko bogatejši svet," je dejal Gardner. "In Carrie Partch je tista, ki nam je to dala."

V Partchevi dnevni sobi, ko se megla razprostira v dobrodošlico večeru, se z njo pogovarjava o pisateljici Ursuli Le Guin, katere leposlovje je bilo pogosto preobremenjeno s časom. V njenem romanu Razprodani, je Le Guin pisal o pridobivanju časa na svojo stran – o ureditvi svojega življenja tako, da vas njegov prehod vodi v smeri, ki jo izberete. "Stvar o delu s časom, namesto proti njemu," je zapisala, »je, da ni zapravljeno. Tudi bolečina šteje.”

"Imaš čas na svoji strani?" Vprašam.

"Da," pravi Partch. "Da, tako mislim."