Японские ученые сравнили белки KaiA, KaiB и KaiC, регулирующие биологические ритмы современных цианобактерий, с их древними предшественниками. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
«Цианобактерии используют циркадные ритмы для предсказания смены дня и ночи, что позволяет им эффективно производить фотосинтез. Мы хотели понять, когда эти часы появились и как они эволюционировали», — объяснил Ацуши Мукаяма, доцент Университета префектуры Фукуи.
Цианобактерии — фотосинтетические организмы, они наиболее близки к древнейшим микроорганизмам, остатки которых (строматолиты возрастом более 3,5 млрд лет) обнаружены на Земле. И сегодня они важны для атмосферы и океанов. Общий предок современных цианобактерий возник около 3 млрд лет назад и сыграл ключевую роль в Великой кислородной катастрофе (2,3 млрд лет назад), когда уровень кислорода на Земле резко вырос. Они пережили и великие оледенения «Земля-снежок» (2,4 и 0,7 млрд лет назад), а также в эпоху неопротерозойской оксигенации (800–540 млн лет назад).
Похожие циркадные часы обнаружены у многих организмов — от бактерий до млекопитающих. Считается, что предки цианобактерий уже обладали примитивными системами кислородного фотосинтеза. Так как его эффективность зависит от смены света и темноты, исследователи решили выяснить, существовали ли у них элементарные механизмы отсчета времени.
Японская команда изучала Synechococcus elongatus, один из современных штаммов цианобактерий, и воссоздала работу белков KaiC на протяжении истории в пробирке. Были исследованы функции и структура древних версий этих белков, чтобы проследить эволюцию ритмической активности.
Первоначально древний KaiC не имел необходимых свойств для ритмичности, но в ходе эволюции, примерно во время Великой кислородной катастрофы и первого оледенения «Земля-снежок», эти свойства сформировались.
Ученые обнаружили, что предковые Kai-белки были «заточены» под суточные ритмы в демонстрировали осцилляции с периодом 18–20 часов — Земля раньше вращалась чуть быстрее.
«Наша цель — создать цианобактерии с ритмами, адаптированными к суткам на других планетах и спутниках. Эволюция заняла миллиарды лет, но мы можем ускорить этот процесс с помощью современных технологий», — пояснил профессор Суджи Акияма из Национального института естественных наук Японии.