O relógio biológico mantém um ciclo de 24 horas alterando o funcionamento dos genes em condições quentes

Pesquisadores liderados pelo Gen Kurosawa no Centro RIKEN de Ciências Teóricas e Matemáticas Interdisciplinares (iTHEMS) no Japão usaram a física teórica para descobrir como nosso relógio biológico mantém um ciclo estável de 24 horas, mesmo quando a temperatura muda.

Eles descobriram que essa estabilidade é alcançada por uma mudança sutil na "forma" dos ritmos da atividade gênica em temperaturas mais altas, um processo conhecido como distorção da forma de onda. Esse processo não apenas ajuda a manter a precisão do tempo, mas também afeta a sincronização dos nossos relógios internos com o ciclo dia-noite. O estudo foi publicado na revista PLOS Computational Biology.

Você já se perguntou como seu corpo sabe quando dormir ou acordar? A resposta é simples: seu corpo tem um relógio biológico que funciona em um ciclo de aproximadamente 24 horas. Mas, como a maioria das reações químicas se acelera com o aumento da temperatura, tem sido um mistério como o corpo compensa as mudanças de temperatura ao longo do ano — ou mesmo quando alternamos entre o calor do verão lá fora e o frescor dos ambientes com ar-condicionado.

O relógio biológico funciona por meio de flutuações cíclicas nos níveis de mRNA — as moléculas que codificam a produção de proteínas — que ocorrem quando certos genes são ativados e desativados ritmicamente. Assim como o movimento de um pêndulo pode ser descrito por uma onda senoidal matemática, subindo e descendo suavemente, o ritmo da produção e do decaimento do mRNA pode ser representado por uma onda oscilatória.

A equipe de Kurosawa no RIKEN iTHEMS, juntamente com colegas da Universidade YITP de Kyoto, aplicou métodos da física teórica para analisar os modelos matemáticos que descrevem essas oscilações rítmicas do mRNA. Em particular, eles utilizaram o método do grupo de renormalização, uma ferramenta poderosa da física que permite extrair processos dinâmicos importantes e de lenta mudança do sistema de ritmo do mRNA.

A análise mostrou que, à medida que a temperatura aumentava, os níveis de mRNA subiam mais rápido e caíam mais lentamente, mas a duração de um ciclo permanecia constante. Em um gráfico, esse ritmo em altas temperaturas parecia uma onda distorcida e assimétrica.

Para testar as conclusões teóricas em organismos vivos, os pesquisadores analisaram dados experimentais em moscas-das-frutas e camundongos. De fato, em temperaturas elevadas, esses animais apresentaram as distorções de forma de onda previstas, o que confirmou a correção do modelo teórico.

Os cientistas concluem que a distorção da forma de onda é fundamental para a compensação de temperatura no relógio biológico, especificamente para retardar o declínio dos níveis de mRNA a cada ciclo.

A equipe também descobriu que a distorção da forma de onda afeta a capacidade do relógio biológico de se sincronizar com sinais externos, como luz e escuridão. A análise mostrou que, com maior distorção da forma de onda, o relógio biológico fica mais estável e menos afetado por sinais externos.

Essa conclusão teórica coincidiu com observações experimentais em moscas e fungos e é importante porque ciclos irregulares de luz e escuridão se tornaram parte da vida moderna da maioria das pessoas.

"Nossos resultados mostram que a distorção da forma de onda é um elemento crítico para que o relógio biológico permaneça preciso e sincronizado, mesmo com mudanças de temperatura", diz Kurosawa.

Ele acrescenta que pesquisas futuras podem se concentrar na identificação dos mecanismos moleculares que retardam o declínio dos níveis de mRNA e causam a distorção da forma de onda. Os pesquisadores também esperam estudar como essa distorção varia entre espécies ou mesmo indivíduos, visto que a idade e as diferenças individuais podem afetar o funcionamento do relógio biológico.

“A longo prazo”, observa Kurosawa, “o grau de distorção da forma de onda nos genes do relógio biológico pode se tornar um biomarcador para melhor compreensão de distúrbios do sono, jet lag e os efeitos do envelhecimento no relógio biológico. Também pode revelar padrões universais de ritmos — não apenas na biologia, mas em qualquer sistema com ciclos repetitivos.”