由新陈代谢设定的细菌昼夜节律钟 而不是光

地球上的大多数生物，从细菌到人类，都拥有生物钟 - 一种生物机制，可以将休息或生长等活动与24小时内的日常变化同步。根据芝加哥大学科学家的一项新研究，虽然通常被认为与昼夜周期有关，但生物钟实际上似乎是由代谢节律决定的。通过基因再造蓝藻能够以糖为食，研究小组发现蓝藻时钟不受光照或黑暗的影响，但仅对新陈代谢有反应。

该研究结果发表在2015年12月10日的细胞报告中，提供了生物钟的进化根源的一瞥，并指出了合成生物学的潜在应用。“我们要问的问题是生物钟是如何知道它是什么时间的，”资深研究作者，分子遗传学和细胞生物学助理教授Michael Rust博士说。“在蓝细菌中，这个答案似乎特别简单 - 时钟蛋白质可以感知细胞中的代谢活动。”

昼夜节律使生物体能够预测24小时内发生的常规环境变化并相应地同步其生物学。对于人类而言，这表现为睡眠，进食或活动的优选时间段，其与昼夜循环相关。蓝藻，也称为蓝绿藻，遵循类似的模式，白天参与光合作用和生长，晚上“休息”和节能。

驱动昼夜节律的生物学机制被称为生物钟。蓝藻拥有最简单的已知昼夜节律钟之一 - KaiABC系统，这是一种经历24小时生化循环的蛋白质复合物，可触发基因表达和生理活动的振荡。当细菌暴露于不同的光照和黑暗时期时，这个时钟可以被夹带或“设定”，类似于人类内部时钟在长途旅行后的调整方式。

尽管存在这种联系，但研究发现没有证据表明Kai系统接收到任何有关光照的信息。相反，Kai蛋白对代谢信号敏感。

为了研究生物钟，光和新陈代谢之间的确切关系，Rust和他的同事创造了基因工程蓝藻，除了正常的光合作用外，还能够以糖为食。由于这些细菌能够在完全黑暗中生存，就像光一样，团队可以分别测试新陈代谢和光的影响。

他们首先将正常的蓝细菌与遗传改变的蓝细菌进行比较。在恒定的光照下，正常和改变的蓝细菌都将保持规律的昼夜节律。引入黑暗时期很容易重置正常蓝细菌的时钟。

然而，黑暗对改变的蓝细菌的时钟没有影响，蓝细菌可以获得丰富的糖。研究小组发现ATP和ADP-两个分子是新陈代谢的中心，已知调制Kai系统 - 在黑暗中保持稳定的比例，这表明供糖是稳定时钟的原因。“我们发现细菌生物钟只响应代谢活动，”Rust说。“如果支持生长和新陈代谢，时钟似乎并不关心它是浅还是暗。”

然后该团队测试了糖的可用性。当他们在恒定的黑暗中保持改变的蓝细菌，并持续供应糖时，他们观察到了规律的昼夜节律。然而，当他们在一段时间内去除糖，模拟一段“夜间”饥饿时，细菌昼夜节律钟将很快重置。根据不同的喂养时间表，不同批次的蓝细菌根据它们获取糖的时间来同步它们的时钟。“通过查看时钟的分子状态，我们发现当我们喂食它们时会跟踪细菌，并将它们的内部时间设置为那个时间表。它们基本上”学会“了糖来的时候，”Rust说。

蓝藻是地球上最古老的生命形式之一，再加上生物钟的普遍性，这项研究表明它的基本功能是帮助安排不同的代谢活动。许多微生物，例如人类肠道细菌和一些致病细菌，具有与蓝细菌时钟基因相似的基因。但目前尚不清楚他们是否有昼夜节律。Rust建议，更好地了解他们的昼夜节律和新陈代谢可能有助于研究促进健康肠道细菌或中和有害细菌的努力。

发现生物钟与新陈代谢有关并且不与光相关也在合成生物学中提出了许多可能性。在先前的实验中，Rust已经证明在试管中分离的Kai蛋白能够保持其作为生物钟的功能并响应代谢信号。由于其时间保持功能与光合作用无关，因此将Kai系统安装到其他微生物中以执行预定任务的努力变得更有希望。至于什么更好的昼夜节律钟知识可以在遥远的未来解锁，鲁斯特有一个诱人的可能性。

“在电路的历史发展中，工程师发现将计算的每一步同步到内部时钟使得任务变得越来越复杂，最终导致我们今天使用的计算机，”他说。“也许在未来，我们将能够以类似的方式在工程微生物中使用合成钟。”