为了更好地理解现代蓝绿菌中的生物钟，研究团队研究了古代计时系统。他们研究了现代蓝绿菌中时钟蛋白KaiA、KaiB和KaiC（Kai蛋白）的振荡，并将其与祖先Kai蛋白的功能进行了比较。
为了更好地理解现代蓝绿菌中的生物钟，一支日本研究团队研究了古代计时系统。他们研究了现代蓝绿菌中时钟蛋白KaiA、KaiB和KaiC（Kai蛋白）的振荡，并将其与祖先Kai蛋白的功能进行了比较。
他们的研究于2025年5月15日发表在自然通讯上。
“现存蓝绿菌利用生物钟预测地球旋转造成的光暗环境周期，以实现高效的光合作用反应。我们想知道古代细菌何时获得生物钟的进化历程，以及这一特性是如何被现代蓝绿菌所继承的，”福井县立大学的副教授林山敦史表示。
蓝绿菌，有时被称为蓝藻，是对地球海洋和大气产生重要影响的光合细菌。科学家们知道，蓝绿菌的最新共同祖先大约在30亿年前出现。它通过约23亿年前地球大气中的氧气水平上升时发生的“大氧化事件”进化成当前的生态系统。这一进化经历了至少两个雪球地球事件，分别发生在大约24亿年和7亿年前，当时地球被冰雪覆盖，并经过新元古代氧气化事件，当时地球的氧气水平第二次上升。新元古代氧气化事件发生在8亿到5.4亿年前。
通过对化石和分子进化模型的研究，科学家们建议，蓝绿菌的最新共同祖先已经具备原始的氧气光合作用系统。光合作用的效率受光暗环境周期的强烈影响。研究团队着手调查原始蓝绿菌在光合作用在大氧化事件期间变得活跃时是否具备时间计量系统。这将帮助科学家们理解生物钟系统的生理起源。
科学家们已在多种生物中识别出生物钟，这些内部计时器指导生物在24小时制上运行，包括细菌、真菌、植物和哺乳动物。研究团队使用蓝绿菌菌株Synechococcus elongatus研究了蓝绿菌的生物钟。他们在试管中重建了时钟振荡器，使用了时钟蛋白KaiC。他们还研究了祖先Kai蛋白的功能和结构，以确定自我维持的Kai蛋白振荡器是如何随着时间的推移而演变的。
了解到光暗周期对蓝绿菌光合作用效率的影响，团队希望确定古代蓝绿菌在古代氧化事件发生时和光合作用系统首次建立时是否具备自我维持的生物钟。
他们发现祖先时钟蛋白中编码了更快的节律现象。“古代蓝绿菌的生物钟与18到20小时的周期同步。这意味着通过追踪时钟蛋白分子的演变，恢复了地球的旋转周期历史，”分子科学研究所的助理教授古池义彦表示。
团队的研究结果显示，祖先细菌中最古老的KaiC缺乏节律品质所需的功能和结构。通过分子进化，祖先Kai蛋白在全球氧化和雪球地球事件期间获得了必要的功能和结构。最终，能够进行光合作用的蓝绿菌最新共同祖先继承了这一自我维持的生物钟振荡器。
这些结果对于科学家理解时间生物学极为有帮助。“我们的最终目标是设计可以适应地球以外的行星和卫星的自转周期的改造蓝绿菌，通过缩短或延长Kai蛋白振荡器的周期。蓝绿菌花费了很长时间将其生物钟调至24小时，但我们或许能够利用现代知识和技术实现更快的进化，”分子科学研究所的教授秋山修司表示。
研究团队包括福井县立大学的林山敦史，日本冈崎的分子科学研究所的古池义彦、堀内幸太、近藤千太、秋山修司，日本名古屋大学的伊藤美和，日本冈崎的分子科学研究所的尾上康宏，日本大阪大学的山下英樹。
该研究得到了AMED的支持药物发现和生命科学研究平台项目、科研助成金、武田科学基金会和丰明奖学基金的资助。
