从无到有的生物钟：科学家如何创造时间节律细胞

这项最近发表在自然-通讯（Nature Communications）上的研究由生物工程学教授阿南德·巴拉·苏布拉马尼亚姆（Anand Bala Subramaniam）以及化学与生物化学教授安迪·李旺（Andy LiWang）共同领导。第一作者亚历山大·张·图·李（Alexander Zhang Tu Li）在苏布拉马尼亚姆的实验室获得了博士学位。

生物钟——也称为昼夜节律——调控着睡眠、新陈代谢及其他重要生理过程的24小时周期。为探索蓝藻昼夜节律背后的机制，研究人员在名为囊泡的简化类细胞结构中重建了钟控系统。这些囊泡装载了核心时钟蛋白，其中一种蛋白被标记了荧光标记物。

人工细胞持续发出规律性的24小时节律荧光至少四天。然而，当减少时钟蛋白数量或缩小囊泡体积时，节律性发光便停止。节律丧失遵循可复现的模式。

为解释这些发现，研究团队构建了计算模型。模型揭示：更高浓度的时钟蛋白能使生物钟更稳健，即使囊泡间蛋白量存在微小差异，也能让数千个囊泡保持可靠计时。

该模型还表明，自然昼夜节律系统的另一组件——负责基因开关调控——在维持单个生物钟方面作用有限，但对群体间时钟同步至关重要。

研究人员同时指出，部分时钟蛋白易附着于囊泡壁，这意味着必须维持较高的总蛋白量才能保障正常功能。

苏布拉马尼亚姆表示：「这项研究表明，我们可以利用简化的合成系统来剖析和理解生物计时核心原理。」

俄亥俄州立大学微生物学教授、昼夜节律专家方明旭（Mingxu Fang）评价道：「苏布拉马尼亚姆和李旺领导的工作推进了生物钟研究方法学。蓝藻生物钟依赖具有固有噪声的缓慢生化反应，学界认为需要大量时钟蛋白缓冲这种噪声。这项新研究引入了在模拟细胞尺寸的可调囊泡内观察重构时钟反应的方法。这个强大工具能直接测试不同细胞尺寸的生物体如何及为何采用不同计时策略，从而深化我们对生命体生物计时机制的理解。」

苏布拉马尼亚姆任职于生物工程系，并隶属于健康科学研究所（HSRI）。李旺任职于化学与生物化学系，同样隶属于HSRI。他是美国微生物学院院士，并荣获2025年蛋白质学会颁发的多萝西·克劳福特·霍奇金奖（Dorothy Crowfoot Hodgkin Award）。

该研究获得苏布拉马尼亚姆由美国国家科学基金会材料研究部颁发的CAREER奖资助，以及李旺获美国国立卫生研究院和陆军研究办公室的资助。李旺还获得加州大学默塞德分校NSF CREST细胞与生物分子机器中心的博士后奖学金支持。