Het onderzoeksteam van het Nagoya University Institute of Transformative Bio-Molecules (WPI-ITbM) van Designated Associate Professor Tsuyoshi Hirota, Postdoctoraal onderzoeker Simon Miller, Professor Kenichiro Itami en promovendus Tsuyoshi Oshima (Research Fellowship for Young Scientists, JSPS), in samenwerking met de groep van Professor Ben Feringa en Postdoctoral Fellow Dušan Kolarski van de Rijksuniversiteit Groningen in Nederland, hebben een wereldprimeur bereikt:volledig omkeerbare manipulatie van de periode van de circadiane klok met behulp van licht, door een deel van een verbinding uit te wisselen met een door licht geactiveerde schakelaar.

Wakker worden in de ochtend, 's nachts slapen - de meeste van onze biologische activiteiten herhalen zich in een dagelijkse cyclus. Het interne proces dat dit ritme regelt, staat bekend als de circadiane klok. Hoewel het duidelijk is dat de circadiane klok wordt bestuurd door de gecombineerde functies van klokgenen en klokeiwitten, het proces waarmee het mogelijk is om het ritme over een lange periode van een dag te beheersen en te stabiliseren, is in nevelen gehuld. Om deze vraag te beantwoorden, de onderzoekers hebben een chemisch-biologisch proces opgezet voor grootschalige analyse van het effect van verbindingen op het circadiane ritme in gekweekte menselijke cellen, opheldering van de significante moleculaire mechanismen die de dagelijkse periode bepalen.

Deze grootschalige chemische screening identificeerde twee verbindingen - TH303 en zijn analoog TH129 - die de circadiane klokperiode verlengden. Het onderzoeksteam werkte vervolgens aan het ophelderen van de interactie van deze verbindingen met het klokeiwit CRY1 op moleculair niveau met behulp van röntgenkristallografie. Ze ontdekten dat een deel van deze verbindingen, bekend als een benzofenon, bezat een vergelijkbare structuur als het cis-isomeer van azobenzeen, een door licht geactiveerde schakelaar. Toen ze vervolgens de reactie op het licht van GO1323 analyseerden, een variant van TH129 waarbij benzofenon wordt verdrongen door azobenzeen, ze ontdekten dat de structuur ervan veranderde in het cis-isomeer onder ultraviolet licht, en terug naar de trans-isomeer onder wit licht. Volgens computersimulaties, het cis-isomeer van GO1323 interageert identiek aan TH129 met CRY1, terwijl het trans-isomeer er geen interactie mee heeft.

Dus, bij blootstelling aan ultraviolet licht, de circadiane klokperiode van gekweekte menselijke cellen die waren behandeld met GO1323 was verlengd in vergelijking met die welke in het donker waren bewaard. Verder, bij blootstelling aan wit licht, de circadiane klokperiode van deze cellen keerde terug naar normaal, bewijzen dat het proces omkeerbaar is. Omdat ultraviolet licht schadelijk is voor cellen, het onderzoeksteam moest een manier vinden om het proces aan te passen om een ​​niet-schadelijk deel van het spectrum te gebruiken om de periode te verlengen. Ze synthetiseerden GO1423, met tetraorthofluorazobenzine. Deze verbinding verandert in zijn cis-isomeer onder groen licht, en naar zijn trans-isomeer onder violet licht, met behoud van de andere gewenste kenmerken van GO1323. Wanneer cellen behandeld met GO1423 werden blootgesteld aan groen licht, hun circadiane ritmeperiode was verlengd in vergelijking met die welke in het donker waren bewaard, en bij blootstelling aan violet licht, het effect was omgekeerd. Dus, de onderzoekers zijn erin geslaagd een omkeerbare methode te ontwikkelen om de circadiane klokperiode met zichtbaar licht te regelen.

Controle van de circadiane klok met behulp van methoden zoals deze zal naar verwachting bijdragen aan de behandeling van verwante ziekten zoals slaapstoornissen, metabool syndroom en kanker, en deze onderzoeksprestatie vertegenwoordigt een belangrijke en opwindende stap voorwaarts in het veld.