Nagoya University Institute of Transformative Bio-Molecules (WPI-ITbM) forskargrupp bestående av utsedd docent Tsuyoshi Hirota, Postdoktor Simon Miller, Professor Kenichiro Itami och doktorand Tsuyoshi Oshima (Research Fellowship for Young Scientists, JSPS), i samarbete med gruppen av professor Ben Feringa och postdoktor Dušan Kolarski vid Groningen University i Nederländerna, har uppnått en världsnyhet:helt reversibel manipulation av dygnsklockans period med hjälp av ljus, genom att byta ut en del av en förening med en ljusaktiverad strömbrytare.

Vaknar på morgonen, sova på natten – majoriteten av våra biologiska aktiviteter upprepas inom en daglig cykel. Den interna processen som styr denna rytm är känd som dygnsklockan. Även om det är underförstått att dygnsklockan styrs av de kombinerade funktionerna hos klockgener och klockproteiner, processen genom vilken det är möjligt att kontrollera och stabilisera rytmen under en lång period av en dag har varit höljd i mystik. För att ta itu med denna fråga, forskarna etablerade en kemisk biologisk process för storskalig analys av effekten av föreningar på dygnsrytmen i odlade mänskliga celler, klarläggande av de betydande molekylära mekanismerna som bestämmer den dagliga perioden.

Denna storskaliga kemiska screening identifierade två föreningar - TH303 och dess analog TH129 - som förlängde dygnsklockan. Forskargruppen arbetade sedan med att belysa hur dessa föreningar interagerar med klockproteinet CRY1 på molekylär nivå med hjälp av röntgenkristallografi. De fann att en del av dessa föreningar, känd som en bensofenon, hade en liknande struktur som cis-isomeren av azobensen, en ljusaktiverad strömbrytare. När de sedan analyserade svaret på ljuset från GO1323, en variant av TH129 där bensofenon ersätts av azobensen, de fann att dess struktur förändrades till cis-isomeren under ultraviolett ljus, och tillbaka till trans-isomeren under vitt ljus. Enligt datorsimuleringar, cis-isomeren av GO1323 interagerar identiskt med TH129 med CRY1, medan transisomeren inte har någon interaktion med den.

Således, när de utsätts för ultraviolett ljus, dygnsklockan för odlade mänskliga celler som hade behandlats med GO1323 förlängdes jämfört med de som hade hållits i mörker. Vidare, när den utsätts för vitt ljus, dessa cellers dygnsperiod återgick till det normala, bevisar att processen är reversibel. Eftersom ultraviolett ljus skadar celler, forskargruppen var tvungen att hitta ett sätt att anpassa processen för att använda ett icke-skadligt område av spektrumet för att förlänga perioden. De syntetiserade GO1423, innehållande tetraortofluoroazobensin. Denna förening ändras till sin cis-isomer under grönt ljus, och till dess transisomer under violett ljus, samtidigt som de andra önskvärda egenskaperna hos GO1323 bibehålls. När celler behandlade med GO1423 exponerades för grönt ljus, deras dygnsrytmperiod förlängdes jämfört med de som hade hållits i mörker, och när de utsätts för violett ljus, effekten var omvänd. Således, forskarna lyckades ta fram en reversibel metod för att styra dygnsklockan med hjälp av synligt ljus.

Styrning av dygnsklockan med metoder som dessa förväntas bidra till behandlingen av relaterade sjukdomar som sömnstörningar, metabolt syndrom och cancer, och denna forskningsprestation representerar ett viktigt och spännande steg framåt på området.