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发光闪烁的细菌揭示细胞如何同步生物钟

当细胞的生物钟被激活时,绿色荧光蛋白使大肠杆菌发光。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,生物体都是通过24小时的昼夜循环来设定自己的生物钟。但是,这些时钟究竟是如何在分子水平上同步,以在依赖于昼夜节律的精确时间的细胞群中执行相互作用的,人们还不太清楚。

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》(Science)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是如何使它们的生物钟同步的,并使研究人员首次能用数学方法描述这个过程。

加州大学圣地亚哥分校的生物学和生物工程教授杰夫·哈斯蒂说:“我们体内的细胞被光牵引或同步,如果没有阳光,它们就会漂移出相位。”哈斯蒂是该研究小组的负责人。“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到许多组成部分,很难精确地描述它是如何工作的。为了从根本上定量地了解这些系统,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。这是最好的简化主义。”



在右边,阿拉伯糖的周期性脉冲(红色)就像昼夜循环,模拟眨眼的细菌如何同步它们的生物钟。在左图中,一个在持续黑暗中的细菌模拟揭示了眨眼的细菌是如何无法同步它们的生物钟的。下面两幅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

为了在基因水平上研究夹带过程,哈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将合成生物学、微流控技术和计算建模技术结合起来,构建了一个微流控芯片,其中有一系列包含大肠杆菌种群的腔室。在每个细菌中,负责生物钟振荡的遗传机制与绿色荧光蛋白相关联,这导致细菌周期性地发出荧光。

为了模拟白天和黑夜的循环,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)通过微流芯片时发光和闪烁。通过这种方式,科学家们能够在短短几分钟而不是几天的时间内模拟昼夜周期,以更好地了解细胞群是如何使其生物钟同步的。

哈斯蒂说,大体上可以用哺乳动物细胞构建一个类似的微流体系统,以研究人类细胞如何与光和暗同步。这种遗传模型系统将有重要的未来应用,因为科学家发现,生物钟的问题可能导致许多常见的医学问题,从糖尿病到睡眠障碍。

哈德斯团队的其他成员包括生物电路研究所副主任Lev tsimling,以及生物工程研究生Octavio Mondragon、Tal Danino和Jangir Selimkhanov。他们的研究得到了美国国立卫生与普通医学研究院(National Institutes of Health and General Medicine)和圣地亚哥系统生物学中心(San Diego Center for Systems Biology)的资助。


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