La cronobiología es una de las ramas de la ciencia con mayor impacto en nuestras vidas. Ya sea de manera paulatina o veloz, nuestro organismo responde al curso de una serie de “relojes” internos que determinan un sinnúmero de variables propias de nuestra fisiología.
Seres humanos, otras especies de animales, las plantas, e incluso algunas bacterias, ordenan su biología gracias a estos relojes internos, que permiten que la fisiología del organismo anticipe la llegada del día y la noche. En animales, existe un reloj central ubicado en el cerebro que regula los ciclos de sueño y vigilia; además ordena los relojes presentes en la mayoría de los órganos, de tal manera que el organismo tiene un tiempo unitario para su conducta y fisiología, la cual está en sincronía con los ciclos planetarios de luz y oscuridad.
Los galardonados con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2017, fueron Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash y Michael Young, quienes determinaron la identidad molecular del primer denominado “gen reloj”. Posterior a ello, identificaron otros genes que participan en el funcionamiento del reloj biológico, produciendo finalmente, un modelo para el funcionamiento del reloj circadiano que aplica para todos los animales, incluyendo humanos.
Para saber más al respecto, y entender el porqué de la importancia de este hito, la Sociedad de Biología de Chile conversó con el Dr. John Ewer, profesor del Centro Interdisciplinario de Neurociencia de Valparaíso (CINV) de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Valparaíso, quien lleva a cabo investigaciones en relojes biológicos y realizó su Doctorado con los Dres. Jeffrey Hall y Michael Rosbash.
¿Cuál es la importancia de estos relojes biológicos?
La certeza sobre la existencia de los relojes biológicos se remonta hace varios años; de hecho, los primeros reportes datan del siglo XVIII. Ahora sabemos que los relojes biológicos son mecanismos internos que nos permiten anticipar la llegada del día; así tanto animales como plantas, tienen la capacidad de sincronizar sus actividades con la rotación de la tierra.
Estas habilidades son el resultado de la evolución de toda la vida en un planeta que posee alternaciones predecibles de luz y oscuridad. Sin embargo, hasta la fecha del trabajo de los galardonados, no se sabía cómo podría generarse en un ser vivo, un proceso con una periodicidad de un día, ya que los procesos bioquímicos y neuronales funcionan a velocidades incomparablemente mayores.
¿Cómo fue el trabajo de estos científicos tras el descubrimiento del gen reloj?
Estos investigadores siguieron la pista de una mutación que afecta el sistema cronobiológico en el modelo de investigación: la mosca Drosophila melanogaster. Dicha mutación, en el gen period, se había aislado durante los años ´70s porque alteraba específicamente los patrones de sueño/vigilia de la mosca. En ese sentido, los investigadores lograron aislar un trozo de DNA de moscas normales que revertía el fenotipo anormal cuando era reintroducido en el genoma del mutante, trabajo que fue una hazaña para la época. De esta manera, entendieron que ese trozo de DNA contenía el gen period. Sin embargo, su secuencia no proporcionó ninguna pista sobre su identidad, ni sobre el modo de funcionamiento, ya que no era un factor de transcripción o un receptor.
Una pista importante fue descubrir que la abundancia del RNA mensajero de period, cambiaba diariamente su abundancia y que ello no ocurría en el mutante carente de reloj funcional. Esto los llevó a proponer que de alguna manera la proteína producida por el gen period era necesaria para la expresión rítmica de su RNA mensajero. Una segunda pista importante fue la identificación de otro gen llamado timeless.
El RNA mensajero de timeless también ciclaba diariamente y mutaciones en él, también eliminaban este ciclado. Pero lo más interesante fue que mutaciones en timeless eliminaban el ciclado del RNA mensajero de period, y vice versa. O sea que para que el reloj funcionara, ambos RNA mensajeros debían ciclar y las proteínas de ambos genes eran necesarias para permitir la expresión de este ritmo de expresión génica. De esa manera, se generó el primer modelo del funcionamiento molecular de un reloj, el cual consistía de un loop de transcripción/traducción dirigido por las proteínas de los genes period y timeless.
¿Para qué sirve este modelo?
Primero aclarar que este modelo aplica para todos los animales y plantas, por lo que estos descubrimientos son biológicamente espectaculares. Además nos entregan herramientas para entender diversos sucesos biológicos y médicos que son rítmicos. Es así como sirven para comprender efectos fisiológicos y fisiopatológicos de algunas enfermedades. También entregan información relevante al momento de realizar intervenciones y suministrar medicamentos. Por ejemplo, sabemos que el efecto de un fármaco varía durante el curso del día, por lo que para algunas drogas puede ser muy importante considerar la hora en que se ingieren.
Biológicamente fue un descubrimiento notable, con impacto en áreas como la infectología, nutrición y farmacología. Existen un montón de ramificaciones médicas a su haber.
Diferencias entre el sueño y el reloj biológico
Si bien el reloj regula nuestros ritmos de sueño y vigilia, es separado del sistema que regula el sueño. Este último es esencialmente un contador del número de horas que hemos estado despiertos. A diferencia de ello, el reloj regula cuando deberías dormir; por ejemplo: los individuos de una especie diurna como la nuestra, duermen de noche.
De esta manera, el contador del sueño en general comienza a contar en la mañana, y llegada la noche, presiona para que uno duerma. Sin embargo, es posible mantenerse despierto más allá de ese momento; pero ese déficit de sueño lo debes anular, y para hacerlo, el sistema del sueño te forzará a dormir durante el día, oponiéndose a las indicaciones del reloj.
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Periodista: Patricio Grunert Alarcón. ®
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