发光闪烁的细菌揭示了细胞如何同步生物钟

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当细胞的生物钟被激活时，绿色荧光蛋白会使大肠杆菌发光。来源:加州大学圣地亚哥分校

生物学家早就知道，从细菌到人类，生物都是利用24小时的昼夜循环来设定自己的生物钟。但是，这些时钟是如何在分子水平上同步的，从而在依赖于昼夜节律精确计时的细胞群中进行相互作用的，目前尚不清楚。

为了更好地理解这一过程，加州大学圣地亚哥分校的生物学家和生物工程师创建了一个由发光、闪烁的大肠杆菌组成的生物系统模型。研究人员在9月2日的《科学》杂志上报告说，这个简单的昼夜节律系统使他们能够详细研究细胞群如何同步它们的生物钟，并使研究人员第一次从数学上描述这一过程。

加州大学圣地亚哥分校的生物学和生物工程教授杰夫·海斯蒂(Jeff Hasty)是该研究小组的负责人，他说:“我们体内的细胞受到光线的牵引或同步，如果没有阳光，细胞就会偏离相位。”“但理解夹带现象一直很困难，因为很难进行测量。这个过程的动态涉及许多组成部分，要精确地描述它是如何工作的是很棘手的。合成生物学提供了一个极好的工具来降低这些系统的复杂性，以便从基础上定量地了解它们。这是最完美的简化论。”

在右图中，阿拉伯糖的周期性脉冲(红色部分)就像昼夜循环一样，模拟闪烁的细菌如何同步它们的生物钟。左图是在持续黑暗中模拟的细菌，揭示了闪烁的细菌如何无法同步它们的生物钟。下面两张图显示了生物钟的同相振荡和异相振荡。来源:加州大学圣地亚哥分校-观看视频

为了研究基因层面的夹带过程，海斯蒂和他在加州大学圣地亚哥分校生物电路研究所的研究团队结合了合成生物学、微流控技术和计算建模的技术，建立了一个微流控芯片，该芯片带有一系列含有大肠杆菌种群的室。在每个细菌中，负责生物钟振荡的遗传机制都与绿色荧光蛋白有关，这使得细菌周期性地发出荧光。

为了模拟昼夜循环，研究人员对细菌进行了改造，使其在阿拉伯糖(一种触发细菌振荡时钟机制的化学物质)通过微流控芯片时发光和闪烁。通过这种方式，科学家们能够在仅几分钟而不是几天的时间内模拟周期性的昼夜循环，以更好地了解细胞群如何同步其生物钟。

海斯蒂说，原则上可以用哺乳动物细胞构建类似的微流体系统，以研究人类细胞如何与光明和黑暗同步。这种基因模型系统在未来会有重要的应用，因为科学家们已经发现生物钟问题会导致从糖尿病到睡眠障碍等许多常见的医疗问题。

哈斯蒂团队的其他成员包括生物电路研究所副所长列夫·提姆明，以及生物工程研究生奥克塔维奥·蒙德拉贡、塔尔·达尼诺和贾吉尔·塞利姆汉诺夫。他们的研究得到了美国国家卫生和普通医学研究院以及圣地亚哥系统生物学中心的资助。