科学家如何从零构建生物钟机制：打造细胞计时器

这项近期发表于《自然-通讯》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）与化学暨生物化学教授安迪·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博士学位。

生物钟——亦称昼夜节律——掌管着调节睡眠、新陈代谢及其他生命活动的24小时周期。为探究蓝藻昼夜节律的内在机制，研究人员在名为囊泡的简化类细胞结构中重建了计时系统。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。

人工细胞以规律的24小时节律持续发光至少四天。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。节律丧失呈现出可复现的模式。

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，计时系统越稳健——即使囊泡间蛋白含量存在微小差异，仍能保障数千个囊泡可靠计时。

模型还指出，自然昼夜系统中负责基因开关的另一组件，虽对维持单个时钟作用有限，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，这意味着必须维持高蛋白总量才能保障正常功能。

"本研究表明，我们能够通过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（音译）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论。

"蓝藻昼夜钟依赖缓慢且天生嘈杂的生化反应，学界推测需要高浓度时钟蛋白来缓冲这种噪音，"方教授指出，"这项新研究引入了一种在可调节尺寸的囊泡（模拟细胞尺度）内观察重构时钟反应的方法。这个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。"

苏布拉马尼亚姆任生物工程系教授兼健康科学研究所（HSRI）特聘研究员。李旺任化学与生物化学系教授，同时隶属于HSRI。他是美国微生物学院院士，并荣获蛋白质学会2025年度多萝西·克劳福特·霍奇金奖。

本研究获得苏布拉马尼亚姆的国家科学基金会材料研究学部CAREER奖项支持，李旺则获得美国国立卫生研究院及陆军研究办公室的资助。李旺还受美国国家科学基金会资助的加州大学默塞德分校NSF CREST细胞与生物分子机器中心博士后奖学金支持。