El reloj biológico mantiene un ciclo de 24 horas modificando el funcionamiento de los genes en condiciones cálidas.

Investigadores dirigidos por Gen Kurosawa en el Centro RIKEN de Ciencias Teóricas y Matemáticas Interdisciplinarias (iTHEMS) en Japón han utilizado la física teórica para descubrir cómo nuestro reloj biológico mantiene un ciclo estable de 24 horas incluso cuando la temperatura cambia.

Descubrieron que esta estabilidad se logra mediante un cambio sutil en la forma de los ritmos de actividad genética a temperaturas más altas, un proceso conocido como distorsión de la forma de onda. Este proceso no solo ayuda a mantener la hora exacta, sino que también afecta la sincronización de nuestros relojes internos con el ciclo día-noche. El estudio se publicó en la revista PLOS Computational Biology.

¿Alguna vez te has preguntado cómo sabe tu cuerpo cuándo dormir o despertarse? La respuesta es sencilla: tu cuerpo tiene un reloj biológico que funciona con un ciclo de aproximadamente 24 horas. Pero como la mayoría de las reacciones químicas se aceleran con el aumento de la temperatura, ha sido un misterio cómo el cuerpo compensa los cambios de temperatura a lo largo del año, o incluso al pasar del calor del verano al frescor de las habitaciones con aire acondicionado.

El reloj biológico funciona mediante fluctuaciones cíclicas en los niveles de ARNm (las moléculas que codifican la producción de proteínas) que ocurren cuando ciertos genes se activan y desactivan rítmicamente. Así como el movimiento de un péndulo puede describirse mediante una onda sinusoidal matemática, que sube y baja suavemente, el ritmo de producción y desintegración del ARNm puede representarse mediante una onda oscilatoria.

El equipo de Kurosawa en RIKEN iTHEMS, junto con colegas de la Universidad YITP de Kioto, aplicó métodos de la física teórica para analizar los modelos matemáticos que describen estas oscilaciones rítmicas del ARNm. En particular, emplearon el método de grupos de renormalización, una potente herramienta física que permite extraer procesos dinámicos clave, de lenta evolución, del sistema rítmico del ARNm.

El análisis mostró que, a medida que aumentaba la temperatura, los niveles de ARNm subían más rápido y descendían más lentamente, pero la duración de un ciclo se mantenía constante. En un gráfico, este ritmo a altas temperaturas parecía una onda distorsionada y asimétrica.

Para comprobar las conclusiones teóricas en organismos vivos, los investigadores analizaron datos experimentales con moscas de la fruta y ratones. De hecho, a temperaturas elevadas, estos animales mostraron las distorsiones de la forma de onda previstas, lo que confirmó la exactitud del modelo teórico.

Los científicos concluyen que la distorsión de la forma de onda es clave para la compensación de temperatura en el reloj biológico, específicamente para retardar la disminución de los niveles de ARNm con cada ciclo.

El equipo también descubrió que la distorsión de la forma de onda afecta la capacidad del reloj biológico para sincronizarse con señales externas, como la luz y la oscuridad. El análisis mostró que, a mayor distorsión de la forma de onda, el reloj es más estable y se ve menos afectado por las señales externas.

Esta conclusión teórica coincidió con observaciones experimentales en moscas y hongos y es importante porque los ciclos irregulares de luz y oscuridad se han convertido en parte de la vida moderna para la mayoría de las personas.

"Nuestros resultados muestran que la distorsión de la forma de onda es un elemento crítico para que el reloj biológico se mantenga preciso y sincronizado, incluso cuando cambia la temperatura", afirma Kurosawa.

Añade que las investigaciones futuras podrían centrarse en identificar los mecanismos moleculares que ralentizan la disminución de los niveles de ARNm y causan la distorsión de la forma de onda. Los investigadores también esperan estudiar cómo varía esta distorsión entre especies o incluso entre individuos, ya que la edad y las diferencias individuales pueden afectar el funcionamiento del reloj biológico.

“A largo plazo”, señala Kurosawa, “el grado de distorsión de la forma de onda en los genes del reloj podría convertirse en un biomarcador para comprender mejor los trastornos del sueño, el jet lag y los efectos del envejecimiento en el reloj interno. También podría revelar patrones universales de ritmos, no solo en biología, sino en cualquier sistema con ciclos repetitivos”.