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昼夜节律钟网络如何展示先进的噪声过滤能力，增强了我们对生物回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准确性的同时适应环境波动的显著能力。这些发现对于理解从细菌到人类的生物体如何响应由地球24小时自转驱动的光和温度等外部变化来追踪时间具有重要意义

发表在《自然通讯》上的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Forschungszentrum Jülich的研究人员之间的合作发现，昼夜节律钟选择性地过滤了环境信号的波动，如光照时间和强度的变化。这使得时钟可以忽略微小的干扰，同时对有意义的环境变化保持响应

任何穿越过多个时区并经历过时差的人都知道我们的生物钟有多大的影响。事实上，人体内的每个细胞都有自己的分子钟，在24小时内调节日常周期

细胞的内部时钟在很长一段时间内保持同步很重要，但也要适应环境的变化

逐渐消失的时差症状说明了我们的生物钟是如何适应这种新情况的——因为我们的昼夜节律钟在不同的时区适应了新的昼夜周期

大多数生物体也有内部时钟来安排生物功能。例如，植物需要知道何时为黎明的到来准备光合作用机制

从春季到夏季，黎明每天都会提前到来，植物的生物钟需要适应不同的日长。但是，他们也不应该被路过的云愚弄，关闭他们的光收集过程

为了了解昼夜节律钟如何区分有意义的刺激和环境“噪音”，例如光的暂时变化，剑桥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昼夜节律钟——一种蓝藻长聚球菌

这种单细胞淡水生物是光合作用的，需要记录时间以最大限度地延长其在光照下的时间，就像植物一样

一部关于野生型蓝藻菌株在绿色母亲机器中的延时电影。该菌株表达pkaiBC:eYFP:fsLVA转录报告子（绿色显示），显示昼夜节律振荡。在暴露于12小时的黑暗中后，细胞被夹带在芯片中，然后在自由运行的连续光照条件下观察。相位对比图像以灰色显示在背景中。image caption成像频率为每45分钟一次。图片来源：Sasha Eremina为了研究时间，需要时间

该研究的第一作者Sasha Erimina博士为她的博士学位承担了这项研究，她说：“我们首先检查了连续光照下昼夜节律的内在准确性。为此，我们开发了一种微流体装置，我们称之为‘绿色母亲机器’，将原始母细胞保持在生长室的顶部，使我们能够使用长期延时荧光显微镜对细胞进行成像。我们的设置使我们能够以以前研究无法达到的精度监测单细胞生长和基因表达数天。”

团队首先开始研究绿色母亲机器。早在2016年，基于之前为非光合细菌开发的Mother Machine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生长要棘手得多。华威大学的Bruno Martins博士说：“这需要多年的反复试验来克服技术挑战，确保我们有合适的管材、芯片设计和与光控制的集成，以不损害光合作用及其细胞膜。”

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，但蓝藻时钟异常稳健。伦敦帝国理工学院的Philipp Thomas博士说：“我们的遗传扰动表明，自然时钟在噪声最小的情况下运行，这向我们表明，进化倾向于精确的计时。”

这种稳健性使细胞能够同步运转数百天

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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，它们在一种称为磷酸化的生化过程的驱动下不断结合和解离，从而形成一个有节奏的24小时周期

Eremina博士补充道：“通过使用数学建模和诱变，我们证明了这种稳健性植根于基于Kai蛋白的核心振荡器，而不是更广泛的基因调控网络。这一发现对那些探索合成生物学应用的人来说是有希望的，在这些应用中，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，他们重建了加勒比海的真实气象光模式，细胞时钟以数学模型预测的方式对其做出了反应

James Locke教授解释了研究结果的意义：“尽管光照条件不同，蓝藻钟表现出过滤环境噪声的显著能力，同时对环境变化保持一定的敏感性。我们的研究结果说明了简单的时钟网络如何表现出复杂的噪声过滤特性，深化了我们对生物回路如何在自然环境中准确工作的理解。”

这个项目是James Locke（剑桥大学塞恩斯伯里实验室）教授的实验室之间的合作。Philipp Thomas博士（伦敦帝国理工学院）、Bruno Martins博士（华威大学）和Dietrich Kohleyer博士（Forschungszentrum Jülich） More information: Aleksandra Eremina et al, Environmental and molecular noise buffering by the cyanobacterial clock in individual cells, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58169-8

Journal information: Nature Communications