地球上的大多數(shù)生物，從細(xì)菌到人類，都擁有生物鐘 - 一種生物機(jī)制，可以將休息或生長等活動(dòng)與24小時(shí)內(nèi)的日常變化同步。根據(jù)芝加哥大學(xué)科學(xué)家的一項(xiàng)新研究，雖然通常被認(rèn)為與晝夜周期有關(guān)，但生物鐘實(shí)際上似乎是由代謝節(jié)律決定的。通過基因再造藍(lán)藻能夠以糖為食，研究小組發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻時(shí)鐘不受光照或黑暗的影響，但僅對(duì)新陳代謝有反應(yīng)。

該研究結(jié)果發(fā)表在2015年12月10日的細(xì)胞報(bào)告中，提供了生物鐘的進(jìn)化根源的一瞥，并指出了合成生物學(xué)的潛在應(yīng)用。“我們要問的問題是生物鐘是如何知道它是什么時(shí)間的，”資深研究作者，分子遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)助理教授Michael Rust博士說。“在藍(lán)細(xì)菌中，這個(gè)答案似乎特別簡(jiǎn)單 - 時(shí)鐘蛋白質(zhì)可以感知細(xì)胞中的代謝活動(dòng)。”

晝夜節(jié)律使生物體能夠預(yù)測(cè)24小時(shí)內(nèi)發(fā)生的常規(guī)環(huán)境變化并相應(yīng)地同步其生物學(xué)。對(duì)于人類而言，這表現(xiàn)為睡眠，進(jìn)食或活動(dòng)的優(yōu)選時(shí)間段，其與晝夜循環(huán)相關(guān)。藍(lán)藻，也稱為藍(lán)綠藻，遵循類似的模式，白天參與光合作用和生長，晚上“休息”和節(jié)能。

驅(qū)動(dòng)晝夜節(jié)律的生物學(xué)機(jī)制被稱為生物鐘。藍(lán)藻擁有最簡(jiǎn)單的已知晝夜節(jié)律鐘之一 - KaiABC系統(tǒng)，這是一種經(jīng)歷24小時(shí)生化循環(huán)的蛋白質(zhì)復(fù)合物，可觸發(fā)基因表達(dá)和生理活動(dòng)的振蕩。當(dāng)細(xì)菌暴露于不同的光照和黑暗時(shí)期時(shí)，這個(gè)時(shí)鐘可以被夾帶或“設(shè)定”，類似于人類內(nèi)部時(shí)鐘在長途旅行后的調(diào)整方式。

盡管存在這種聯(lián)系，但研究發(fā)現(xiàn)沒有證據(jù)表明Kai系統(tǒng)接收到任何有關(guān)光照的信息。相反，Kai蛋白對(duì)代謝信號(hào)敏感。

為了研究生物鐘，光和新陳代謝之間的確切關(guān)系，Rust和他的同事創(chuàng)造了基因工程藍(lán)藻，除了正常的光合作用外，還能夠以糖為食。由于這些細(xì)菌能夠在完全黑暗中生存，就像光一樣，團(tuán)隊(duì)可以分別測(cè)試新陳代謝和光的影響。

他們首先將正常的藍(lán)細(xì)菌與遺傳改變的藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行比較。在恒定的光照下，正常和改變的藍(lán)細(xì)菌都將保持規(guī)律的晝夜節(jié)律。引入黑暗時(shí)期很容易重置正常藍(lán)細(xì)菌的時(shí)鐘。

然而，黑暗對(duì)改變的藍(lán)細(xì)菌的時(shí)鐘沒有影響，藍(lán)細(xì)菌可以獲得豐富的糖。研究小組發(fā)現(xiàn)ATP和ADP-兩個(gè)分子是新陳代謝的中心，已知調(diào)制Kai系統(tǒng) - 在黑暗中保持穩(wěn)定的比例，這表明供糖是穩(wěn)定時(shí)鐘的原因。“我們發(fā)現(xiàn)細(xì)菌生物鐘只響應(yīng)代謝活動(dòng)，”Rust說。“如果支持生長和新陳代謝，時(shí)鐘似乎并不關(guān)心它是淺還是暗。”

然后該團(tuán)隊(duì)測(cè)試了糖的可用性。當(dāng)他們?cè)诤愣ǖ暮诎抵斜３指淖兊乃{(lán)細(xì)菌，并持續(xù)供應(yīng)糖時(shí)，他們觀察到了規(guī)律的晝夜節(jié)律。然而，當(dāng)他們?cè)谝欢螘r(shí)間內(nèi)去除糖，模擬一段“夜間”饑餓時(shí)，細(xì)菌晝夜節(jié)律鐘將很快重置。根據(jù)不同的喂養(yǎng)時(shí)間表，不同批次的藍(lán)細(xì)菌根據(jù)它們獲取糖的時(shí)間來同步它們的時(shí)鐘。“通過查看時(shí)鐘的分子狀態(tài)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)我們喂食它們時(shí)會(huì)跟蹤細(xì)菌，并將它們的內(nèi)部時(shí)間設(shè)置為那個(gè)時(shí)間表。它們基本上”學(xué)會(huì)“了糖來的時(shí)候，”Rust說。

藍(lán)藻是地球上最古老的生命形式之一，再加上生物鐘的普遍性，這項(xiàng)研究表明它的基本功能是幫助安排不同的代謝活動(dòng)。許多微生物，例如人類腸道細(xì)菌和一些致病細(xì)菌，具有與藍(lán)細(xì)菌時(shí)鐘基因相似的基因。但目前尚不清楚他們是否有晝夜節(jié)律。Rust建議，更好地了解他們的晝夜節(jié)律和新陳代謝可能有助于研究促進(jìn)健康腸道細(xì)菌或中和有害細(xì)菌的努力。

發(fā)現(xiàn)生物鐘與新陳代謝有關(guān)并且不與光相關(guān)也在合成生物學(xué)中提出了許多可能性。在先前的實(shí)驗(yàn)中，Rust已經(jīng)證明在試管中分離的Kai蛋白能夠保持其作為生物鐘的功能并響應(yīng)代謝信號(hào)。由于其時(shí)間保持功能與光合作用無關(guān)，因此將Kai系統(tǒng)安裝到其他微生物中以執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的努力變得更有希望。至于什么更好的晝夜節(jié)律鐘知識(shí)可以在遙遠(yuǎn)的未來解鎖，魯斯特有一個(gè)誘人的可能性。

“在電路的歷史發(fā)展中，工程師發(fā)現(xiàn)將計(jì)算的每一步同步到內(nèi)部時(shí)鐘使得任務(wù)變得越來越復(fù)雜，最終導(dǎo)致我們今天使用的計(jì)算機(jī)，”他說。“也許在未來，我們將能夠以類似的方式在工程微生物中使用合成鐘。”