I våra mobilklockor har hon hittat en livstid av upptäckter | Quanta Magazine

I morse, när solen gick upp, öppnade miljarder människor sina ögon och släppte in en ljusstråle från rymden i sina kroppar. När strömmen av fotoner träffade näthinnan, avfyrade neuroner. Och i varje organ, i nästan varje cell, rörde utarbetat maskineri om. Varje cells dygnsklocka, ett komplex av proteiner vars nivåer stiger och faller med solen, klickade i växel.

Den klockan synkroniserar våra kroppar med planetens ljus-mörkercykel genom att kontrollera uttrycket av mer än 40 % av vårt genom. Gener för immunsignaler, hjärnans budbärare och leverenzymer, för att bara nämna några, transkriberas alla för att göra proteiner när klockan säger att det är dags.

Det betyder att du inte, biokemiskt, är samma person klockan 10 som du är klockan 10. Det betyder att kvällarna är en farligare tid att ta stora doser av det smärtstillande preparatet paracetamol: Leverenzymer som skyddar mot överdos blir knappa då. Det innebär att vacciner ges på morgonen och kvällen fungera annorlunda, och att nattskiftsarbetare, som kroniskt inte lyder sina klockor, har högre frekvens av hjärtsjukdomar och diabetes. Människor vars klockor går fort eller långsamt är fångade i ett ohyggligt tillstånd av evig jetlag.

"Vi är länkade till denna dag på sätt som jag tror att folk bara trycker på", säger biokemisten Carrie Partch till mig. Om vi ​​förstår klockan bättre, har hon hävdat, kanske vi kan ställa om den. Med den informationen kan vi forma behandlingen av sjukdomar, från diabetes till cancer.

I mer än ett kvarts sekel har Partch levt bland orkestratorerna av dygnsklockan, proteinerna vars uppgång och fall styr dess funktion. Som postdoc producerade hon den första visualiseringen av det bundna paret av proteiner i dess hjärta, CLOCK och BMAL1. Sedan dess har hon fortsatt att synliggöra virvlarna och vridningarna av dessa och andra klockproteiner samtidigt som hon kartlägger hur förändringar i deras struktur lägger till eller subtraherar tid från dagen. Hennes prestationer i jakten på den kunskapen har gett henne några av de högsta utmärkelserna inom detta vetenskapsområde: Margaret Oakley Dayhoff Award från Biophysical Society 2018, och National Academy of Sciences Award i molekylärbiologi 2022.

När Partch talar, skuggar hennes känsla av tidens obeveklighet – det faktum att den förändrar oss, vare sig vi vill det eller inte – hennes röst med tyst brådska. Hennes egen resa har tagit en oväntad vändning; på höjden av sin karriär måste hon ta ett steg tillbaka från labbbänken. 2020, vid 47 års ålder, fick hon diagnosen amyotrofisk lateralskleros, även känd som Lou Gehrigs sjukdom. I genomsnitt lever människor tre till fem år efter att de fått diagnosen ALS.

Men det har inte hindrat henne från att tänka på klockproteinerna.

Hon betraktar dem, med huvudet på sned, ljuset glittrar från hennes glasögon, när vi sitter i hennes vardagsrum i kullarna nära Santa Cruz, Kalifornien. Det är middagstid, ungefär sex timmar sedan solens fotoner drev CLOCK och BMAL1 i aktion i hennes celler och cellerna hos varje människa på västkusten.

I hennes sinnesöga kan hon se proteinerna, var och en ett band av aminosyror vikta runt sig själv. BMAL1 har en sorts midja som CLOCK spänner som en dansare. Varje gryning tar paret upp sig på den tätt hoprullade massan av genomet och kallar fram enzymerna som transkriberar DNA. Under dagen får de andra proteiner att virvla ut ur cellens maskineri, inklusive flera som så småningom förmörkar deras kraft. Tre proteiner hittar handtag på CLOCK och BMAL1 runt 10:1, tystar dem och tar bort dem från genomet. Tidvattnet av DNA-transkription skiftar. Slutligen, i nattens djup, griper ett fjärde protein tag i änden av BMALXNUMX och förhindrar ytterligare aktivering.

Sekunder förvandlas till minuter, minuter till timmar. Tiden går. Gradvis förfaller den repressiva kvartetten av proteiner. På småtimmarna på morgonen görs återigen CLOCK och BMAL1 för att förnya cykeln.

Varje dag i ditt liv kopplar detta system kroppens grundläggande biologi till planetens rörelse. Varje dag i ditt liv, så länge det varar. Ingen förstår detta djupare än Partch.

Kemi och klockor

Sommaren före femte klass, när Partch var 10 år gammal, bröt hennes pappa, som var snickare, handleden när han spelade fotboll. Medan han väntade på att det skulle läka tog han kemi på den lokala community college. Han visade henne hur man balanserar en kemisk ekvation på deras gård utanför Seattle, på en svart tavla stödd mot ett träd. Det var hennes introduktion till kemi.

"Jag minns fortfarande att jag tänkte på hur den matematiska precisionen i kemin var så cool - mycket annorlunda än den biologi vi fick lära oss i skolan vid den åldern," sa hon.

När hon minns sina collegeår vid University of Washington erkänner hon med ett skevt skratt att något av det som hoppar fram är minnena av att ha deltagit i konserter – när hon åkte ner till Olympia för Sleater-Kinney-shower, såg Mudhoney och Nirvana – och hennes njutning av böcker av författare som Ursula Le Guin. Men hon blev också hänförd av en klass om levande systems kemi. Efter examen gick hon till jobbet som tekniker vid Oregon Health and Science University i Portland. För varje dag blev hon mer kär i forskning. År 2000 flyttade hon och hennes pojkvän, James, en musiker och grafisk designer, till University of North Carolina, Chapel Hill så att hon kunde påbörja sin doktorsexamen.

Strax efter att hon kom träffade hon personen som skulle introducera henne för klockan. Hon gick en klass med molekylärbiologen Aziz Sancar, känd för sitt arbete med DNA-reparation. "Jag slogs av den vackra precision med vilken han lärde oss grundläggande vetenskapliga begrepp," sa hon. "Jag tänkte,"Dude, den här killen är så smart."" Sancar, som skulle vinna ett Nobelpris 2015 studerade en klass av proteiner som kallas kryptokromer, som inkluderar klockproteinerna CRY1 och CRY2. Varje organism från cyanobakterier till redwoodträd har en klocka, men proteinerna som driver varje system är olika. Hos däggdjur är de viktigaste proteinerna förutom CLOCK och BMAL1 former av PER och CRY.

Som doktorand i Sancars labb upptäckte Partch att CRY1 hade en mystisk, ostrukturerad svans. Ingen visste vad den delen av proteinet gjorde, men återigen, ingen visste riktigt hur någon av klockproteinernas spolar och band ledde till deras anmärkningsvärda effekter. Och till Partchs förvåning verkade ingen bry sig särskilt mycket heller. Joseph Takahashi och hans kollegor vid Northwestern University hade pekat ut generna för CLOCK och BMAL1 till stort bifall bara några år tidigare; det outtalade antagandet bland många forskare var att de tunga lyften var gjorda.

Det förblev inte ens outtalat. Vid en konferens 2002 delade Partch med ett par kollegor att hon ville förstå proteinernas struktur. "Varför?" var deras svar: Vi vet redan allt. Partch, artigt men med eftertryck, höll inte med.

När hon tog examen gick hon till University of Texas Southwestern Medical Center som postdoc i labbet av Kevin Gardner, en biokemist och strukturbiolog nu vid Advanced Science Research Center vid City University of New York Graduate Center. Där hoppades hon att hon kunde se klockproteinerna tydligare genom att lära sig använda två knepiga men kraftfulla tekniker.

En poet av skuggor

"Cirkelprotein berör kvadratiskt protein är lika med magi": Det är så Gardner sammanfattar vagheten kring molekylstrukturen som, enligt hans erfarenhet, många biologer nöjer sig med att acceptera, eftersom ingen kan fokusera på varje aspekt av varje system. Men i Partch kände han igen en släkt, någon som var driven att ta isär proteiner och förstå dem, och begåvad med ett nästan encyklopediskt minne för litteraturen om dygnsklockan.

Partch arbetade med honom och lärde sig proteinkristallografi: hur man blandar lösningar från vilka ett renat protein skulle kristallisera; hur man lyser röntgenstrålar genom det kristallina gallret; hur man härleder proteinets form från de subtila skuggningarna i diffraktionsmönstret. En kristallograf är som en poet av skuggor - Rosalind Franklin, vars bilder gjorde det möjligt för Watson och Crick att sluta sig till DNA:s struktur, var en kristallograf. För Partch lovade kristallografins dimmiga grå bilder en titt på de strukturer hon planerade att följa hela sitt liv.

Ändå har kristallografin gränser. Det kan bara avslöja formerna på proteiner som är tillräckligt stabila för att kristallisera, och det ger bara en ögonblicksbild av de frusna strukturerna. Partch visste att de statiska formerna som representerar proteiner i läroboksdiagram fördunklade sanningen. Ett protein kan knäppa sina ben, vrida sig som en spärrhake, eller rulla upp sig och vika sig till en konstig ny form. Vissa proteiner är också mycket oordnade, med långa, floppiga spagettisträngar av aminosyror som förbinder deras mer ordnade regioner.

Det är därför kärnmagnetisk resonansspektroskopi, eller NMR, också ingick i Partchs plan. I NMR placeras högrenade lösningar av protein i en magnet och träffas med radiovågor. De resulterande magnetiska störningarna av deras atomkärnor, sammanställda och visade av programvara, kan avslöja arrangemanget av ett proteins atomer för ett kräsna öga. Om mätförhållandena är rätt inställda kan du sluta dig till hur ett protein rör sig när det binder en partner, hur det upplever en temperaturförändring eller hur det skiftar från ett tillstånd till ett annat. När Partch tittar på en regnbågsstänk av NMR-data på en XY-plot, ser hon de snabba rörelserna av metallbindande grupper och den långsamma veckningen av ett protein.

När hennes avdelning vid UT Southwestern Medical Center rekryterade Takahashi, genetikern som hade identifierat generna för CLOCK och BMAL1, "du borde tro att jag insinuerade mig själv", sa hon glatt. När hon lämnade universitetet hade hon, Takahashi och deras kollegor tagit fram en bild av CLOCK-BMAL1-komplexet genom kristallografi.

2011, när Partch flyttade med James och deras unge son för att börja hennes labb vid University of California, Santa Cruz, började hon från början. Hon hade inga projekt från sin postdoc att fortsätta. Hon hade bara sin egen vision för att förstå klockan och, slutligen, verktygen för att förverkliga den.

Proteinurverket

Utanför fönstret på Partchs UCSC-kontor filtrerar ljusskaft genom furublad. Den fysikaliska byggnaden ligger inbäddat i en skog, där slemmögel blommar och träd lutar sina löv i lydnad mot sina egna dygnsklockor. Inuti eleverna och vandrare som korsar skogens mossiga golv, är CLOCK, BMAL1 och deras följeslagare upptagna med att producera kroppens eftermiddagscocktail av proteiner. Det var här Partch fick chansen att titta djupare på tidens biomekanik.

Från början var hon på väg in i okänt territorium. "Carrie är extremt unik," sa Brian Zoltowski från Southern Methodist University, som var postdoc i Gardners labb med henne. Han kan räkna på ena sidan labben som fokuserar på däggdjursklockans nitty-grinty strukturella biologi. De färdigheter som krävs är esoteriska, och risken att lägga ner år av ansträngning för små framsteg är stor.

Ändå vadade Partch in i det okända och började skicka tillbaka utskick. Med sin elev Chelsea Gustafson och Haiyan Xu från University of Memphis fann hon att CRY1 tystar BMAL1 genom att binda sig konkurrenskraftigt till dess slingrande, oordnad svans; om svansen är muterad, växlar klockan från tempo eller till och med sönderfaller helt. Med sin elev Alicia Michael, fann hon att CLOCK nästlar sig mot CRY1 genom att gänga en ögla i en ficka på det; om en mutation förstör fickan kommer de två inte att binda. En mutation i PER2 gör att den passar mindre bra mot sina bindningspartners och gör den sårbara för nedbrytning; den defekten flyttar fram klockan med en och en halv timme. Orienteringen av en enkelbindning i svansen av BMAL1 kan förkorta dagen. Delarna av urverket började dyka upp ur mörkret.

Hon gjorde sig ett namn som en samlare av alla förändringar som kan snabba upp klockan, sakta ner den eller tysta den helt. "Carrie försöker borra ner till nivån för att förstå vad de individuella proteinrörelserna är," sa Zoltowski. Ju längre tid Partch tillbringade med de morfande klockproteinerna, desto bättre kunde hon se dem i sitt sinne och förstå hur de kan reagera på ett läkemedel eller en mutation.

Hennes fynd gav kronobiologin en ny syn på hur klockproteiner fungerar. "Vad Carrie har upptäckt om och om igen är att mycket av den viktiga biologin kommer från de delar av proteinerna som är ostrukturerade, mycket flexibla och dynamiska," sa Andy LiWang från University of California, Merced, en strukturbiolog som studerar klockan i cyanobakterier. "Det hon gör med NMR är heroiskt."

2018 hade Partch vunnit utmärkelser och samlat en formidabel portfölj av anslag. Hon satt i styrelserna för lärda sällskap. Hon hade fått en andra son och rekryterade en grupp studenter och postdocs inspirerade av hennes vision. Priya Crosby, en nyligen postdoc i hennes labb, minns att hon träffade Partch på en fest och kände sig imponerad. Partchs passion för att förstå klockan var påtaglig, och hon verkade ha all information om den till hands.

Det var runt då som hennes händer började gripa sig.

En skiftnyckel på gång

Till en början var det småsaker. "Mina händer skulle frysa för en sekund", sa hon. "Du vet att det inte är rätt." Läkare menade att det var stress. Det var inte förrän i juni 2020, när hon återvände till sitt labb efter månader i Covid-19-pandemilåsningen och upptäckte att trappan utmattade henne, som hon drev på för ett bättre svar. Nästan sex månader senare fick hon diagnosen: ALS, eller amyotrofisk lateralskleros.

ALS dödar motorneuroner och förstör förmågan att kontrollera rörelser. Finmotoriken går först, följt av förmågan att gå och prata. Så småningom försvinner nervceller som kontrollerar andningen. Efter en diagnos tenderar människor att leva bara en handfull år.

Partch älskade att jobba på labbbänken. Bland sina elever var hon känd för att hon själv genomförde preliminära experiment för att se om en idé hade potential. Hon var en välbekant syn i labbet, som myllrade runt med ishinkar översållade med proteinrör.

"Min senaste proteinförberedelse var januari, för ungefär två år sedan," mindes hon. "Den där papper i Natur — Vi hade den ursprungliga strukturen. Vi försökte göra mutationer för att se om det höll vatten. … Jag tog mig igenom hälften av mutanterna och jag tänkte: 'Herregud.'” Ishinken kändes som bly i hennes armar.

Partch använder nu en motoriserad rullstol. Knappar installerades i labbbyggnaden så att hon kunde öppna dörrar, och James kör henne till jobbet. Hon jobbar fortfarande heltid - träffa studenter, skicka e-postmeddelanden, drömma om nya experiment. Att tala har blivit svårare, men hennes sinne är opåverkat. Ibland tycks det okända resa sig och sorgen hotar att överväldiga henne, men hon låter de stunderna passera. "Jag försöker leva", sa hon.

Det finns fortfarande idag. Och idag och idag och idag, så länge cykeln kan upprepa sig.

Tidens universella sanningar

Det är en dimmig morgon i maj, ungefär fyra timmar in i KLOCKA och BMAL1:s dans. På Partchs kontor, hon och Diksha Sharma, en doktorand i labbet, diskuterar sin passion för de vikta proteinsegmenten som kallas PAS-domäner. "Vi är som två ärtor i en balja", säger Partch. Sharma testar om PAS-domänerna i CLOCK och BMAL1 kan riktas mot ett läkemedelsbibliotek för kontroll över klockan. "Det är genomförbart, tror vi", säger Partch.

I labbutrymmet arbetar ett kluster av studenter och postdocs. Rafael Robles vinkar och ler från en bänk där han förbereder rör för ett proteinpreparat. Det finns färre studenter än vad det brukade vara, kanske för att Partch inte längre undervisar. Hennes doktorand Megan Torgrimson, som gick Partchs klass på college, minns sin magnetism som föreläsare. Men även om Partch tyckte om att ha yngre adepter i närheten, menar hon att mer utrymme för alla att arbeta i inte är en dålig sak. "Varje enskilt projekt i labbet just nu är jag så peppad över", säger hon.

Under de senaste tre åren har många långvariga projekt blivit verklighet. På en skärm i labbet, postdoc Jon Philpott drar upp en figur från gruppens nytt papper in Molecular Cell, angående en mutation i PER2 associerad med familjär sömnfasstörning, ett tillstånd som förkortar den dagliga cykeln med hela fyra timmar. Han påpekar i figuren hur PER2 är en massa av mestadels oordnade regioner. "Det här är regioner som är extremt viktiga", säger han. Tills Partch visade något annat, "de flesta trodde att störning var de icke-funktionella bitarna."

Vid ett labbmöte leder de yngre forskarna diskussionen om nya data. Partch sitter i sin rullstol och lyssnar, ibland kikar in. "Labben har varit fantastiskt bra på att hantera osäkerheten" i diagnosen, säger hon till mig. Nu när hon inte längre kan göra experiment själv fokuserar hon mycket av sin energi på att styra dem i rätt riktning.

Partch funderar mer och mer nu för tiden på vad som är universellt i livets tidsmätning. För några år sedan bjöd LiWang in henne att arbeta med honom på klockan i cyanobakterier, som inte har några delar gemensamt med den mänskliga klockan. Den består av bara tre proteiner som kallas KaiA, KaiB och KaiC, vars aktivitet stiger och sjunker i en 24-timmarsrytm, och deras två bindningspartners, som driver översättningen av gener. 2017 teamet leddes av LiWang och Partch släppt detaljerade strukturer av vart och ett av komplexen, avslöjar vecken och vridningarna som gör att de kan fästa vid varandra. Senare visade gruppen att de kunde lägga klockproteinerna i ett provrör och få dem att cykla i dagar, ja månader.

De var djupt inne på att spela in hur den cykeln drevs när Partch kände igen något hon hade sett när hon studerade den mänskliga klockan: konkurrens. Den lilla taggen där CRY1 binder till BMAL1 är också där en av BMAL1:s starkaste aktivatorer binder. Om CRY1 konkurrerar ut den aktivatorn och tar dess plats på taggen, kan klockan bara gå framåt. Det är låst i denna process, och väntar ut minuterna och timmarna tills CRY1-proteinets bindning avtar och klockans cykel börjar igen.

I den cyanobakteriella klockan, insåg Partch, fungerar konkurrensen mellan komponenterna på samma sätt. Det dyker upp också i klockorna hos organismer som maskar och svampar. "Detta verkar vara en bevarad princip i väldigt, väldigt olika klockor," sa hon. Hon undrar om det speglar en grundläggande biofysisk sanning om hur naturen gör maskiner som marscherar framåt i tiden, efter en väg som de inte kan vika ifrån.

Tidpunkten för livet på Mars

En gryning till. Solens ljus strålar genom rymdens kalla delar, ner till jorden, in i Carrie Partchs kinablå ögon. CLOCK och BMAL1 börjar sin dans. Hon går till jobbet. Hon umgås med sina pojkar, som är 13 och 18. Den yngre, som gillar att gå ner i YouTubes kaninhål om kemi, insisterar på att de ska titta på en fantastiskt fånig timslång video tillsammans om att isolera vanillin från gummihandskar och omvandla det till het sås. Hon tänker på band och spolar av klockproteiner. Vissa människor som ställs inför hennes diagnos kan besluta att det är dags att göra något annorlunda, men Partch har aldrig övervägt att vända sig bort från klockan. Hon vill veta slutet på alltför många berättelser.

När hon föreställer sig en framtid där vi verkligen förstår dygnsbiologi, bilder hon sig veta vad någons klocka gör när som helst på dygnet. Som svar på en inbjudan att lämna förslag från Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), drömde hon och kollegor en gång idén till en nässond som kunde bedöma tillståndet på din klocka, överföra data om den och kanske till och med ändra den. DARPA är berömt för långt borta förslag, men Partch skämtar om att de har gått ur DARPA eftersom de inte fick pengarna. Hon tänker fortfarande på potentialen med den enheten.

Av solsystemets alla virvlande planeter är det denna, med sitt 24-timmarsdygn, som har format oss. Av den anledningen finns det betydande frågor om hur människor kommer att hålla sig friska om vi någonsin försöker leva på andra planeter. Som en karusell vars rotation verkar skonsam tills du försöker ta dig av, kan de jordiska cyklerna som är ingrodda i våra celler dra på oss farligt. "De binder oss verkligen till jorden," sa Partch.

Men hon föreställer sig att kunna justera dynamiken hos CLOCK, BMAL1 eller någon av deras många partners så att rymdresenärer inte hamnar illa på av skadade klockor. Naturen erbjuder lite inspiration: En mutation i CRY1 upptäckt i laboratoriet av Michael Young vid Rockefeller University förlänger människors dygnscykel med cirka 40 minuter, och dömer dess bärare till en ständigt oöverensstämmande sömncykel på jorden. Partch noterar att det skulle ge den perfekta timingen för att leva på Mars.

Partch upptäcker att hennes röst sviker henne mer nu för tiden. Hon är nöjd med en AI-genererad klon av sin röst som hon har fått, men hon har fortfarande minskat på att tala framträdanden och resa. Hennes frånvaro från dygnsklockans möten är iögonfallande för kollegor, beundrare och vänner. Modern kronobiologi bygger på vetenskapliga bidrag från Nobelpristagare och andra kända pionjärer, men också på de strukturella detaljer som hon lyfte fram. "Det finns en mycket rikare värld där," sa Gardner. "Och Carrie Partch är den som gav det till oss."

I Partchs vardagsrum, när dimman rullar ut för att välkomna kvällen, pratar hon och jag om författaren Ursula Le Guin, vars skönlitteratur ofta var upptagen av tid. I hennes roman De borttagna, Le Guin skrev om att få tiden på din sida - om att ordna ditt liv så att dess passage bär dig i en riktning som du väljer. "Det där med att jobba med tiden istället för mot den", skrev hon, "är att det inte är bortkastat. Till och med smärta räknas."

"Får du tiden på din sida?" Jag frågar.

"Ja", säger Partch. "Ja jag tror det."