从零构建生物钟：科学家如何研制出计时细胞

该研究近期发表于《自然通讯》(Nature Communications)期刊，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李安迪（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博士学位。

生物钟——亦称昼夜节律——调控着睡眠、新陈代谢及其他重要生理过程的24小时周期。为探究蓝藻昼夜节律的运行机制，研究团队在简化的类细胞结构（称为囊泡）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示踪剂。

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尺寸时，节律性发光即停止。节律丧失遵循可复现的模式。

为解释这些现象，团队构建了计算模型。模型揭示：时钟蛋白浓度越高，生物钟稳定性越强，即使囊泡间蛋白含量存在微小差异，仍能确保数千个囊泡保持精准计时。

模型还表明，自然昼夜节律系统中负责基因开关的另一组件，虽对维持单个生物钟作用有限，但对群体时钟同步至关重要。

研究人员同时发现，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浓度才能保障正常功能。

"本研究表明，我们可以利用简化的合成系统来解析和理解生物计时的核心原理，" 苏布拉马尼亚姆表示。

俄亥俄州立大学微生物学教授、昼夜节律专家方明旭（Mingxu Fang）指出，苏布拉马尼亚姆与李安迪主导的研究推进了生物钟研究方法论。

"蓝藻昼夜节律钟依赖本质嘈杂的缓慢生化反应，学界曾提出需要高浓度时钟蛋白来缓冲这种噪声，" 方教授阐释道。"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。该强大工具能直接验证不同细胞尺寸的生物体如何及为何采用差异化的计时策略，从而深化我们对生命体生物计时机制的理解。"

苏布拉马尼亚姆现任生物工程系教授，并隶属于健康科学研究所（HSRI）。李安迪任职于化学与生物化学系，同属HSRI成员。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·克劳富特·霍奇金奖（Dorothy Crowfoot Hodgkin Award）。

本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奖项资助，以及李安迪获美国国立卫生研究院和陆军研究办公室的基金支持。李安迪同时受美国国家科学基金会加州大学默塞德分校细胞与生物分子机器CREST中心博士后奖学金资助。