编辑推荐：
新的研究揭示了一个简单的生物钟网络如何展示先进的噪声过滤能力，增强了我们对生物电路如何在动态自然环境中保持准确性的理解。
新的研究揭示了生物钟如何在不断变化的环境中保持稳健性
新的研究揭示了一个简单的生物钟网络如何展示先进的噪声过滤能力，增强了我们对生物电路如何在动态自然环境中保持准确性的理解。
这项研究强调了生物钟在保持其准确性的同时适应环境波动的非凡能力。这一发现对理解生物——从细菌到人类——在地球24小时自转的驱动下，如何追踪时间以应对光线和温度等外部变化具有重要意义。
剑桥大学塞恩斯伯里实验室、伦敦帝国理工学院、华威大学和j
任何跨越多个时区并经历过时差的人都知道我们的生物钟有多有影响力。事实上，人体内的每个细胞都有自己的分子钟，它以24小时为周期调节每天的周期。
细胞的内部时钟在很长一段时间内保持同步是很重要的，但也要适应环境的变化。
逐渐消失的时差症状说明了我们体内的生物钟是如何适应这种新环境的——就像我们的生物钟在不同的时区适应新的昼夜周期一样。
大多数生物体也有生物钟来安排生物功能。例如，植物需要知道什么时候为黎明的到来做好光合作用机制的准备。
从春天到夏天，黎明每天都提前到来，植物的生物钟需要适应不同的白天长度。但是，它们也不应该被路过的云所欺骗而关闭它们的光收集过程。
为了了解生物钟是如何区分有意义的刺激和环境“噪音”的，比如光线的暂时变化，剑桥大学塞恩斯伯里实验室的洛克小组使用了已知最简单的生物来拥有生物钟——一种蓝藻长聚球菌。
这种单细胞淡水生物是光合作用的，需要跟踪时间以最大限度地延长它在阳光下的时间，就像植物一样。
学习需要时间
该研究的第一作者萨沙·埃雷米娜博士为她的博士学位进行了这项研究，她说：“我们首先检查了连续光线下昼夜节律的内在准确性。为了做到这一点，我们开发了一种微流体设备，我们称之为“绿色母亲机器”，将原始母细胞保存在生长室的顶部，使我们能够使用长期延时荧光显微镜对细胞进行成像。我们的装置使我们能够监测单细胞生长和基因表达数天，其精确度是以前的研究无法达到的。”
该团队于2016年首次开始研究绿色母亲机器，基于之前为非光合细菌开发的母亲机器设计。事实证明，让蓝藻在这些微环境中生长比让其他微生物在这些微环境中生长要棘手得多。华威大学的布鲁诺·马丁斯博士说：“为了克服技术挑战，我们需要多年的反复试验，确保我们有合适的管道材料、芯片设计和光控集成，以不损害光合作用和细胞膜。”
研究人员表明，尽管细胞噪声不断干扰时钟组件和调节机制，蓝藻时钟仍然异常强大。伦敦帝国理工学院的菲利普·托马斯博士说：“我们的基因扰动表明，自然时钟在噪音最小的情况下运行，这向我们表明，进化倾向于精确的定时。”
这种健壮性使细胞能够同步运行100天。
基于Kai蛋白的振荡器赋予时钟稳健性
蓝藻时钟由三种Kai蛋白组成，它们在被称为磷酸化的生化过程的驱动下不断结合和分离，从而形成一个有节奏的24小时周期。
Eremina博士补充说：“通过使用数学模型和诱变，我们证明了这种稳健性植根于核心的Kai蛋白振荡器，而不是更广泛的基因调控网络。对于那些探索合成生物学应用的人来说，这一发现很有希望，因为稳定的计时系统是必不可少的。”
研究人员还将蓝藻时钟暴露在复杂的光/暗周期中，包括人工和自然环境，以了解它们如何应对日常天气变化。值得注意的是，他们重建了来自加勒比海的真实气象光模式，细胞时钟以他们的数学模型预测的方式做出了反应。
詹姆斯·洛克教授解释了研究结果的意义：“尽管光照条件不同，但蓝藻时钟显示出一种非凡的过滤环境噪音的能力，同时对环境变化保持一定的敏感性。我们的发现说明了一个简单的时钟网络如何表现出复杂的噪声过滤特性，促进了我们对生物电路如何在自然环境中准确运行的理解。”
Environmental and molecular noise buffering by the cyanobacterial clock in individual cells
生物通微信公众号
生物通 版权所有
