新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在动态自然环境中维持准确性的理解。
新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在动态自然环境中维持准确性的理解。
这项研究强调了生物钟适应环境波动的显著能力，同时维持其准确性。这些发现对理解从细菌到人类等生物如何应对外部变化（如光和温度）来追踪时间具有重要意义，这些变化受到地球24小时旋转的驱动。
这项研究发表于《自然通讯》，由剑桥大学Sainsbury实验室、伦敦帝国学院、华威大学和尤利希研究中心的研究人员共同开展，发现生物钟选择性地过滤环境线索的波动，例如光照时间和强度的变化。这使得生物钟能够忽略微小的干扰，同时对有意的环境变化保持反应。
任何经历过跨多个时区旅行和时差反应的人都知道我们的生物钟多么具有影响力。实际上，人体内的每个细胞都有自己的分子钟，调节日常周期，周期为24小时。
细胞内部的生物钟在长时间内保持同步非常重要，但也需要适应环境变化。
逐渐消退的时差症状说明了我们的内部时钟如何适应这些新条件——随着我们生物钟调整到不同时区的新昼夜循环。
大多数生物体也有内部时钟安排生物功能。例如，植物需要知道何时准备光合作用的机器，以迎接黎明的到来。
随着春季到夏季，黎明每天提前到来，植物的生物钟需要适应不同的白昼长度。但它们也不应被经过的云彩愚弄，以致于关闭光收集过程。
为理解生物钟如何区分有意义的刺激和环境“噪声”，例如光的暂时变化，剑桥Sainsbury实验室的Locke小组使用了已知最简单的具有生物钟的生物——蓝细菌Synechococcus elongatus。
这种单细胞淡水生物是光合的，需要跟踪时间，以最大化其在光照下的时间，正如植物一样。
研究时间需要时间
本研究的第一作者、博士生Sasha Eremina博士表示：“我们首先研究了在连续光照下生物钟的内在准确性。为此，我们开发了一种被称为‘绿色母机’的微流体设备，将原始母细胞固定在生长室的顶部，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之前研究无法达到的精度监测单细胞生长和基因表达，持续多天。”
该团队早在2016年就开始研究“绿色母机”，基于之前开发的非光合细菌母机设计。事实证明，让蓝细菌在这些微环境中生长要比其他微生物更加棘手。“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道材料、芯片设计和与光控的整合，以不损害光合作用和细胞膜。”来自华威大学的Bruno Martins博士说。
研究人员表明，尽管细胞噪声不断扰动生物钟组件和调控机制，蓝细菌的生物钟依然异常稳健。来自伦敦帝国学院的Philipp Thomas博士表示：“我们的基因扰动揭示了自然生物钟在噪声最小值上运行，这向我们暗示进化偏好精准的时间。”
这种稳健性使得细胞能够在同步共鸣中延续数百天。
基于Kai蛋白的振荡器赋予生物钟稳健性
蓝细菌的生物钟由三种Kai蛋白组成，这些蛋白在生物化学过程叫做磷酸化的驱动下不断结合和分离，从而形成节律性的24小时周期。
Eremina博士补充道：“通过使用数学建模和突变分析，我们证明了这种稳健性根植于核心Kai蛋白基振荡器，而不是更广泛的基因调控网络。这一发现对于探索合成生物学应用的研究者尤其具有前景，因为稳定的计时系统是必不可少的。”
研究人员还将蓝细菌生物钟暴露在复杂的光/暗循环中，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，他们重新创建了来自加勒比海洋的逼真的气象光模式，细胞生物钟以其数学模型预测的方式作出响应。
James Locke教授解释了结果的重要性：“尽管光照条件变化，蓝细菌的生物钟展示了过滤环境噪声的卓越能力，同时保留了一些对环境变化的敏感性。我们的发现说明了一个简单的生物钟网络如何展现复杂的噪声过滤特性，推动了我们对生物电路在自然环境中准确执行的理解。”
此项目是剑桥大学Sainsbury实验室James Locke教授、伦敦帝国学院Philipp Thomas博士、华威大学Bruno Martins博士和尤利希研究中心Dietrich Kohleyer博士实验室的合作成果。
