Jam biologis mempertahankan siklus 24 jam dengan mengubah fungsi gen dalam kondisi hangat

Para peneliti yang dipimpin oleh Jenderal Kurosawa di Pusat RIKEN untuk Ilmu Teoritis dan Matematika Interdisipliner (iTHEMS) di Jepang telah menggunakan fisika teoretis untuk menemukan bagaimana jam biologis kita mempertahankan siklus 24 jam yang stabil bahkan ketika suhu berubah.

Mereka menemukan bahwa stabilitas ini dicapai melalui pergeseran halus dalam "bentuk" ritme aktivitas gen pada suhu yang lebih tinggi, sebuah proses yang dikenal sebagai distorsi bentuk gelombang. Proses ini tidak hanya membantu menjaga keakuratan waktu, tetapi juga memengaruhi seberapa baik jam internal kita sinkron dengan siklus siang-malam. Studi ini dipublikasikan dalam jurnal PLOS Computational Biology.

Pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana tubuh Anda tahu kapan harus tidur atau bangun? Jawabannya sederhana: Tubuh Anda memiliki jam biologis yang beroperasi dalam siklus sekitar 24 jam. Namun, karena sebagian besar reaksi kimia semakin cepat seiring kenaikan suhu, masih menjadi misteri bagaimana tubuh mengompensasi perubahan suhu sepanjang tahun — atau bahkan saat kita berpindah dari panasnya musim panas di luar ke sejuknya ruangan ber-AC.

Jam biologis bekerja melalui fluktuasi siklus kadar mRNA—molekul yang mengkode produksi protein—yang terjadi ketika gen-gen tertentu dinyalakan dan dimatikan secara ritmis. Sebagaimana gerak bandul dapat digambarkan dengan gelombang sinus matematis, yang naik dan turun secara halus, ritme produksi dan peluruhan mRNA dapat direpresentasikan oleh gelombang osilasi.

Tim Kurosawa di RIKEN iTHEMS, bersama rekan-rekan di YITP Universitas Kyoto, menerapkan metode fisika teoretis untuk menganalisis model matematika yang menggambarkan osilasi ritmik mRNA ini. Khususnya, mereka menggunakan metode grup renormalisasi, sebuah perangkat fisika canggih yang memungkinkan kita untuk mengekstrak proses dinamis kunci yang berubah secara perlahan dari sistem ritme mRNA.

Analisis menunjukkan bahwa seiring peningkatan suhu, kadar mRNA meningkat lebih cepat dan menurun lebih lambat, tetapi durasi satu siklus tetap konstan. Pada grafik, ritme ini pada suhu tinggi tampak seperti gelombang asimetris yang terdistorsi.

Untuk menguji kesimpulan teoretis pada organisme hidup, para peneliti menganalisis data eksperimen pada lalat buah dan tikus. Memang, pada suhu tinggi, hewan-hewan ini menunjukkan distorsi bentuk gelombang yang diprediksi, yang mengonfirmasi kebenaran model teoretis.

Para ilmuwan menyimpulkan bahwa distorsi bentuk gelombang adalah kunci untuk kompensasi suhu dalam jam biologis, khususnya untuk memperlambat penurunan kadar mRNA pada setiap siklus.

Tim juga menemukan bahwa distorsi bentuk gelombang memengaruhi kemampuan jam tubuh untuk bersinkronisasi dengan isyarat eksternal, seperti terang dan gelap. Analisis menunjukkan bahwa dengan distorsi bentuk gelombang yang lebih besar, jam tubuh menjadi lebih stabil dan kurang terpengaruh oleh isyarat eksternal.

Kesimpulan teoritis ini bertepatan dengan pengamatan eksperimental pada lalat dan jamur dan penting karena siklus terang-gelap yang tidak teratur telah menjadi bagian dari kehidupan modern bagi kebanyakan orang.

"Hasil penelitian kami menunjukkan bahwa distorsi bentuk gelombang merupakan elemen penting dalam menjaga keakuratan dan sinkronisasi jam biologis, bahkan ketika suhu berubah," kata Kurosawa.

Ia menambahkan bahwa penelitian di masa mendatang dapat berfokus pada identifikasi mekanisme molekuler yang memperlambat penurunan kadar mRNA dan menyebabkan distorsi bentuk gelombang. Para peneliti juga berharap dapat mempelajari bagaimana distorsi ini bervariasi antar spesies atau bahkan antar individu, karena perbedaan usia dan individu dapat memengaruhi fungsi jam biologis.

"Dalam jangka panjang," catat Kurosawa, "derajat distorsi bentuk gelombang pada gen jam dapat menjadi biomarker untuk lebih memahami gangguan tidur, jet lag, dan efek penuaan pada jam internal. Hal ini juga dapat mengungkap pola ritme universal — tidak hanya dalam biologi, tetapi juga dalam sistem apa pun dengan siklus berulang."