Descobriu-se que cianobactérias, uma antiga linhagem de bactérias que realizam fotossíntese, regulam seus genes usando o mesmo princípio físico usado na transmissão de rádio AM.

Uma nova pesquisa publicada na Current Biology descobriu que as cianobactérias usam variações na amplitude (força) de um pulso para transmitir informações em células individuais. A descoberta lança luz sobre como os ritmos biológicos trabalham juntos para regular os processos celulares.

No rádio AM (modulação de amplitude), uma onda com força e frequência constantes — chamada de onda portadora — é gerada a partir da oscilação de uma corrente elétrica. O sinal de áudio, que contém as informações (como música ou fala) a serem transmitidas, é sobreposto à onda portadora. Isso é feito variando a amplitude da onda portadora de acordo com a frequência do sinal de áudio .

A equipe de pesquisa, liderada pelo Professor James Locke do Laboratório Sainsbury da Universidade de Cambridge (SLCU) e pelo Dr. Bruno Martins da Universidade de Warwick, descobriu que um mecanismo semelhante ao rádio AM está em ação em cianobactérias.

Nas cianobactérias, o ciclo de divisão celular, o processo pelo qual uma célula cresce e se divide em duas novas células, atua como o "sinal portador". O sinal modulador vem então do relógio circadiano de 24 horas da bactéria , que atua como um mecanismo interno de cronometragem.

Esta descoberta responde a uma questão de longa data na biologia celular — como as células integram sinais de dois processos oscilatórios — o ciclo celular e o ritmo circadiano — que operam em frequências diferentes? Até agora, não estava claro como esses dois ciclos poderiam ser coordenados.

Para resolver o quebra-cabeça, a equipe de pesquisa usou microscopia de lapso de tempo de célula única e modelagem matemática. Com a microscopia de lapso de tempo, eles rastrearam a expressão de uma proteína, o fator sigma alternativo RpoD4. O RPoD4 desempenha um papel importante na iniciação da transcrição, que é o processo pelo qual a informação genética do DNA é transcrita em RNA.

A modelagem permitiu que os pesquisadores explorassem mecanismos de processamento de sinal, comparando resultados de modelagem com dados de microscopia. A equipe descobriu que o RpoD4 é ativado em pulsos que ocorrem apenas na divisão celular, o que o tornou um candidato ideal para rastreamento.

O autor principal, Dr. Chao Ye, explicou: "Descobrimos que o relógio circadiano determina a intensidade desses pulsos ao longo do tempo. Usando essa estratégia, as células podem codificar informações sobre dois sinais oscilatórios na mesma saída: informações sobre o ciclo celular na frequência de pulsação e sobre o relógio de 24 horas na intensidade da pulsação. Esta é a primeira vez que observamos um relógio circadiano usando modulação de amplitude de pulso , um conceito tipicamente associado à tecnologia de comunicação, para controlar funções biológicas."

"Variar a frequência do ciclo celular, por meio da luz ambiente, ou do relógio circadiano, por meio de mutações genéticas, validou o princípio subjacente. É impressionante ver exemplos na natureza do que às vezes pensamos como 'nossas' regras de engenharia", disse o coautor correspondente Dr. Martins.

"A linhagem cianobacteriana evoluiu há 2,7 bilhões de anos e tem uma solução elegante para esse problema de processamento de informações."

O professor Locke acrescentou: "Um dos motivos pelos quais estudamos cianobactérias é que elas têm o relógio circadiano mais simples de todos os organismos, então entendê-lo estabelece a base necessária para entender os relógios em organismos mais complexos, como pessoas e plantações.

"Esses princípios podem ter implicações mais amplas na biologia sintética e na biotecnologia. Por exemplo, isso pode nos ajudar a desenvolver culturas que sejam mais resilientes a mudanças nas condições ambientais, com implicações para a agricultura e a sustentabilidade."