Ruis in het bioritme: biologische klokken reageren verschillend op lichtfluctuaties

Wie ooit een jetlag heeft gehad, kent de kracht van de biologische klok. Alle organismen, van mensen tot de kleinste bacteriën, hebben een ingebouwd systeem dat ze vertelt of het tijd is om te rusten of juist actief te worden. De meeste biologische klokken ‘tikken’ autonoom, maar sommige bacteriën zijn afhankelijk van licht om dagelijks hun klok gelijk te laten lopen. Onderzoekers van AMOLF en de Universiteit van Michigan hebben nu met wiskundige berekeningen aangetoond dat een autonome klok veel minder last heeft van ruis, zoals fluctuaties in het zonlicht door wolken. De resultaten van het onderzoek verschenen online op 14 augustus 2018 in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.

Vrijwel alle organismen hebben een dag-nacht-ritme waardoor ze bijvoorbeeld eten en slapen op vaste momenten van de dag. Dit ritme wordt gedicteerd doordat de eiwitconcentraties in de cellen van het organisme voortdurend variëren (oscilleren) met een periode van 24 uur: de circadiane klok (van de Latijnse woorden circa -ongeveer- en dies -dag).

Jetlag
In de meeste soorten is de circadiane klok niet afhankelijk van signalen van buitenaf (licht en donker). “Als je mensen of dieren zou opsluiten in een ruimte zonder licht, zouden ze nog steeds in een ritme van ongeveer 24 uur behoefte krijgen aan slaap of voedsel. Toch is onze biologische klok wel gevoelig voor licht en donker”, vertelt Pieter Rein ten Wolde, die de groep Biochemical Networks op AMOLF leidt. “De periode van ongeveer 24 uur ligt vast, maar de fase kan verschuiven. Als we reizen naar de andere kant van de wereld hebben we tijd nodig om te wennen: de bekende jetlag. Maar al snel pakken we het verschoven dag-nacht-ritme van de nieuwe omgeving op.”

Zandloper
Sommige bacteriën hebben echter wat biologen een zandloperklok noemen. Deze klokken moeten door licht elke dag gereset worden. Gebeurt dat niet, dan stopt de klok met tikken. Ten Wolde: “Zulke zandloperklokken vinden we in bepaalde typen cyanobacteriën, de blauwalgen die nu op veel plekken het zwemwater aantasten. Andere cyanobacteriën hebben juist een autonome biologische klok. Wij hebben met behulp van wiskundige modellen onderzocht wat het voordeel is van autonome circadiane klokken.”

Modelleren
De onderzoekers ontdekten dat het effect van ruis verschilt voor beide soorten klokken. Voor een biologische klok zijn variaties in de intensiteit van het zonlicht, bijvoorbeeld door bewolking, een belangrijke bron van ruis. “Het blijkt dat autonome klokken veel robuuster zijn voor zulke ruis,” aldus Ten Wolde. “Een zandloperklok kunnen we modelleren als een slinger. Zolang die wordt aangedreven door een extern signaal, blijft hij in beweging. Een sterke aandrijving zorgt voor oscillaties met een grote uitslag (amplitude), en dus betere tijdsaanduiding. Maar bij een sterke koppeling worden ook kleine veranderingen in het ingangsignaal versterkt wat het moeilijker maakt de tijd nauwkeurig af te lezen. Andersom beperkt een zwakke koppeling de invloed van ruis, maar met zo’n zwakke koppeling is het moeilijk de oscillaties, ofwel de slingerbeweging, in gang te houden.”

Robuust
Bij een zandloperklok is het dus onmogelijk om het effect van ruis te minimaliseren. Autonome klokken daarentegen blijven al goed oscilleren zonder externe aandrijving. Bij deze klokken is een zwakke koppeling met het licht van buiten al voldoende om de klok te verzetten bij grote verschuivingen van het dagritme, zoals bij een reis naar Amerika. Daardoor hebben autonome klokken veel minder last van ruis en zijn ze robuuster. “Dit resultaat vonden we zowel in de modellen die we specifiek ontwikkelden voor de biologische klokken van cyanobacteriën, als in een veel algemener wiskundig model voor klokken,” vertelt Ten Wolde. “Waarschijnlijk is de betrouwbaarheid bij externe ruis de reden dat alle hogere organisme een autonome biologische klok hebben. Waarom we toch ook zandloperklokken vinden in de natuur is nog onduidelijk. Hoewel ze bij externe ruis in het nadeel zijn, bieden zandloperklokken mogelijk voordelen als er veel ruis is binnenin het organisme.”

Referentie
Michele Monti, David K. Lubensky, Pieter Rein ten Wolde, Robustness of clocks to input noise, 121, 078101, Physical Review Letters, (2018), doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.078101

Impressie van circadiane klokken