Is het je ooit opgevallen dat de tijd dat je je dagelijkse dosis cafeïne inneemt, de manier waarop het je beïnvloedt kan veranderen?

Te vroeg en je zou een middagdip kunnen voelen. Te laat en je zou de hele nacht wakker kunnen zijn. Dit komt door de manier waarop het medicijn cafeïne de hormonen in je lichaam beïnvloedt die een belangrijk onderdeel zijn van je dagelijkse ritme.

Dit dagelijkse ritme, of circadiane klok, heeft een enorme invloed op je gezondheid en welzijn. Chronomedicine past deze kennis toe om ziekten te behandelen.

Een groot deel hiervan is begrijpen welke bepaalde medicijnen of behandelingen op bepaalde tijden van de dag effectiever zijn. Het kan ons ook vertellen over de optimale timing van onze maaltijden of wanneer we het maximale uit lichaamsbeweging halen.

Dit komt omdat onze circadiane klok elke dag minstens een derde van onze genen in- en uitschakelt, evenals de eiwitten die ze maken. De genen die op een bepaald moment worden ingeschakeld, bepalen hoe ons lichaam reageert op de dingen die we doen, zowel gezond als ongezond.

Net als wij hebben planten ook een circadiaanse klok die zowel de dagelijkse als de seizoensritmes regelt die het metabolisme en de groei beïnvloeden. En het tijdstip van de dag waarop een plant omgevingsstress ervaart, zoals hitte, droogte of ziekteverwekkers, kan van invloed zijn op hoe goed die plant reageert.

Chronocultuur is een opkomend concept dat kijkt hoe de circadiane klok van gewassen kan worden benut om hun opbrengsten te verbeteren.

Het optimaliseren van de tijd van de dag van irrigatie of de toepassing van meststoffen en herbiciden om te synchroniseren met hun circadiane klok kan bijvoorbeeld de effectiviteit verhogen of de hoeveelheid onderhoud die nodig is verminderen.

Mijn laboratoriumonderzoek heeft tot doel te begrijpen hoe het metabolisme de circadiane ritmes van planten beïnvloedt, wat van cruciaal belang is voor planten om hun gebruik van zonlicht voor fotosynthese te optimaliseren en de energiereserves gedurende de nacht te beheren.

In onze meest recente paper, geleid door Ph.D. student Xiang Li, we hebben een benadering gebruikt die chemische biologie wordt genoemd en die medicijnen of medicijnachtige verbindingen gebruikt om te leren hoe een biologisch systeem functioneert.

We doorzochten meer dan 1.000 medicijnen, waaronder ibuprofen, aspirine en cafeïne, waarvan bekend is dat ze een effect hebben in dierlijke cellen om te zien of ze de metabole controle van circadiane genexpressie in planten beïnvloeden.

En we ontdekten dat een verrassend groot aantal van deze medicijnen invloed heeft op plantencellen. Dit komt omdat de fundamentele manier waarop plantencellen werken erg lijkt op dierlijke cellen.

Een van de medicijnen die we gebruikten was bijvoorbeeld pentamidine-isethionaat, dat wordt gebruikt om slaapziekte en ernstige longontsteking te behandelen. Dit medicijn werkt in zenuwcellen bij dieren. Planten hebben geen zenuwstelsel, maar ze hebben wel manieren om signalen rond de plant te verzenden die afhankelijk zijn van vergelijkbare eiwitten.

Het medicijn verminderde de plantengroei ernstig en vertraagde de snelheid van de circadiane klok van de planten.

Ons onderzoek zou kunnen helpen om precies te begrijpen hoe dit medicijn werkt door goed te kijken naar de overeenkomsten tussen de plantaardige en dierlijke eiwitten.

Andere medicijnen die we hebben gevonden, lijken anders te werken in plantencellen, omdat wat het medicijn zich aandient blijkbaar afwezig is in planten. Bijvoorbeeld medicijnen die de neurotransmissie van serotonine beïnvloeden. Planten maken wel serotonine aan, maar we weten relatief weinig over zijn rol in planten en hoe het functioneert.

Dergelijke voorbeelden zijn opwindend omdat ze potentiële nieuwe doelwitten voor geneesmiddelen vertegenwoordigen en de mogelijkheid bieden om sommige van deze geneesmiddelen op nieuwe manieren te gebruiken.

Dus, wat kunnen we doen met deze nieuwe kennis?

Mogelijk kunnen sommige van deze medicijnen worden ontwikkeld tot nieuwe herbiciden. Of we kunnen de gewasgroei stimuleren door het metabolisme op het juiste moment van de dag te activeren. Of, op dezelfde manier waarop we onze cafeïnehit gebruiken, kunnen we circadiane ritmes verfijnen om de gewasprestaties te verbeteren.

Een bijzonder voordeel van het gebruik van chemische biologie is dat we het effect van deze medicijnen gemakkelijk bij andere soorten kunnen testen. Dit kan een reeks gewassen omvatten, of andere kwetsbare organismen in deze omgeving, zoals insecten.

Dit kan ervoor zorgen dat nieuwe landbouwingrepen een minimale ecologische impact hebben.

Maar op korte termijn bieden deze medicijnen met nieuw geïdentificeerde effecten opwindende mogelijkheden om meer te leren over hoe het plantenmetabolisme is verbonden met circadiane ritmes. Dit brengt ons een stap dichter bij het realiseren van chronocultuur.