Zirkadiane Rhythmen sind natürliche, interne Schwingungen, die das Verhalten und die physiologischen Prozesse eines Organismus mit seiner Umgebung synchronisieren. Diese Rhythmen haben normalerweise eine Dauer von 24 Stunden und werden durch interne chemische Uhren reguliert, die auf Signale von außerhalb des Körpers wie Licht reagieren.
Obwohl bei Tieren, Pflanzen und Bakterien gut untersucht, haben circadiane Rhythmen alle eine rätselhafte Eigenschaft gemeinsam – die Schwingungsdauer wird nicht wesentlich von der Temperatur beeinflusst, obwohl sich die Geschwindigkeit der meisten biochemischen Reaktionen exponentiell mit der Temperatur ändert. Dies zeigt deutlich, dass eine Art Temperaturkompensationsmechanismus im Spiel ist. Interessanterweise ist es einigen Wissenschaftlern gelungen, solche temperaturinvarianten Eigenschaften in bestimmten oszillierenden chemischen Reaktionen nachzubilden. Diese Reaktionen sind jedoch oft mühselig und erfordern äußerst genaue Einstellungen der reagierenden Chemikalien.
Aber was wäre, wenn es einen einfacheren Weg gäbe, eine Temperaturkompensation in einer oszillierenden chemischen Reaktion zu erreichen? In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Wissenschaftliche Berichtekam ein Forscherteam, darunter Assistenzprofessor Yuhei Yamada vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, auf eine clevere Idee für einen Temperaturkompensationsmechanismus unter Verwendung einer Reaktion namens Belousov-Zhabotinsky (BZ)-Oszillationsreaktion.
Der Schlüssel zu ihrem Ansatz liegt in weichen, temperaturempfindlichen Gelen aus Poly(N-isopropylacrylamid), kurz PNIPAAm, in denen die BZ-Reaktion ablaufen kann. Diese Gele bestehen aus Polymersträngen, die ein bestimmtes Lösungsmittelvolumen aufnehmen können. Da diese Gele jedoch mit steigender Temperatur schrumpfen, nimmt die im Gel enthaltene Lösungsmittelmenge mit steigender Temperatur ab.
Die Forscher nutzten diese Eigenschaft von PNIPAAm-Gelen, indem sie Ruthenium (Ru)-Stellen an ihren Polymerbestandteilen hinzufügten. Die periodische Natur der speziellen BZ-Reaktion, die die Forscher untersuchten, beruht teilweise auf der hin- und hergehenden Oxidation und Reduktion von Ruthenium(Ru)-Ionen. Somit wird die Geschwindigkeit dieser Reaktion durch die relativen Konzentrationen von Lösungsmittel und Ru beeinflusst. Da die PNIPAAm-Gele weniger Lösungsmittel aufnehmen können, wenn sie schrumpfen, steigt die relative Ru-Konzentration in den Gelen mit der Temperatur.
Wie das Forscherteam durch experimentelle Messungen und eine gründliche mathematische Analyse zeigte, verbinden sich die oben genannten Effekte zu einem Temperaturkompensationsmechanismus, der die Dauer der BZ-Reaktion unbeeinflusst von Temperaturverschiebungen macht. „Die hergestellten BZ-Gele zeigten eine Temperaturkompensation, genau wie die in lebenden Organismen beobachteten zirkadianen Rhythmen“, bemerkt Yamada.
Insgesamt zeigt diese Studie einen völlig neuen Weg auf, um eine Temperaturkompensation in künstlichen biologischen Uhren basierend auf periodischen Reaktionen zu erreichen. Interessanterweise ist es sogar möglich, dass ähnliche Temperaturkompensationsmechanismen mit temperaturempfindlichen weichen Körpern in biologischen Systemen in der Natur existieren, wie Yamada erklärt: „Unsere Studie legt nahe, dass die Temperaturkompensation durch das Ausgabesystem der circadianen Maschinerie auf natürliche Weise selbsterhaltend sein kann. Dies könnte erklären, warum die Temperaturkompensation eine universelle Eigenschaft des zirkadianen Rhythmus ist, der bei Tieren, Pflanzen und Bakterien beobachtet wird, unabhängig von der beteiligten molekularen Spezies.
Mehr Informationen:
Yuhei Yamada et al, Künstliche temperaturkompensierte biologische Uhr mit temperaturempfindlichen Belousov-Zhabotinsky-Gelen, Wissenschaftliche Berichte (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-27014-z