《Nature Communications》最新研究揭示了一個(gè)簡(jiǎn)單的生物鐘網(wǎng)絡(luò )如何展現出先進(jìn)的噪聲過(guò)濾能力，增強了我們對生物電路在動(dòng)態(tài)自然環(huán)境中保持準確性的理解。

該研究突顯了生物鐘在適應環(huán)境波動(dòng)的同時(shí)，依然保持其準確性的卓越能力。這些發(fā)現對于理解從細菌到人類(lèi)的生物體如何根據外部變化（如光線(xiàn)和溫度）來(lái)跟蹤時(shí)間至關(guān)重要，這些變化是由地球的24小時(shí)自轉驅動(dòng)的。

研究發(fā)現生物鐘能夠選擇性地過(guò)濾環(huán)境信號的波動(dòng)，比如光照時(shí)間和強度的變化。這使得生物鐘能夠忽略微小的干擾，同時(shí)對有意義的環(huán)境變化保持敏感。

任何經(jīng)歷過(guò)時(shí)差反應的人都知道我們生物鐘的影響。事實(shí)上，人類(lèi)身體中的每個(gè)細胞都有自己的分子時(shí)鐘，調節24小時(shí)內的日常周期。

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1069038

圖片信息：Green Mother Machine 中 WT 藍藻菌株的延時(shí)電影。該菌株表達 pkaiBC：eYFP：fsLVA 轉錄報告基因（以綠色顯示），顯示晝夜節律振蕩。細胞在暴露于 12 小時(shí)的黑暗中夾帶在芯片中，然后在自由運行、連續的光照條件下觀(guān)察。相差圖像在背景中以灰色顯示。成像頻率為每 45 分鐘一次。

內部時(shí)鐘的持續同步對細胞至關(guān)重要，同時(shí)也必須能夠適應環(huán)境的變化。逐漸消退的時(shí)差癥狀正好展示了內部時(shí)鐘如何適應這些新的條件——當生物鐘調整到不同時(shí)間區域的新晝夜周期時(shí)。

大多數生物體同樣具備內部時(shí)鐘，來(lái)調節生物功能。例如，植物需要明確何時(shí)準備光合作用設備以迎接晨光的到來(lái)。隨著(zhù)春夏交替，黎明每天提前到來(lái)，植物的生物鐘也需要適應不同的日照時(shí)長(cháng)。但它們不能被偶爾出現的云層干擾，從而錯誤地關(guān)閉光合作用。

為了理解生物鐘如何區分重要的刺激和環(huán)境中的“噪音”，研究使用了最簡(jiǎn)單的生物，擁有晝夜節律藍藻（Synechococcus elongatus）。這種單細胞淡水生物是光合生物，必須跟蹤時(shí)間以最大限度地利用光照，像植物一樣。

要研究時(shí)間，首先需要時(shí)間

該研究的第一作者Sasha Eremina博士表示：“我們首先研究了在持續光照條件下生物鐘的內在準確性。為此，我們開(kāi)發(fā)了一種微流控設備，稱(chēng)為‘綠母機’，在生長(cháng)室頂部固定母細胞，以便通過(guò)長(cháng)期熒光顯微鏡觀(guān)察細胞。我們的設備使得以往研究無(wú)法達到的精度下，監測單個(gè)細胞的生長(cháng)和基因表達。”

Sasha Eremina團隊于2016年開(kāi)始研發(fā)綠母機，基于之前為非光合細菌開(kāi)發(fā)的母機設計。結果表明，讓藍藻在這些微環(huán)境中生長(cháng)比其他微生物更具挑戰性。“克服技術(shù)難題，確保使用合適的管材、芯片設計并與光控集成以保護光合作用及其細胞膜，經(jīng)歷了多年的試錯，”  Bruno Martins博士說(shuō)道。

研究人員展示了藍藻的生物鐘在細胞噪音不斷干擾時(shí)依然保持異常穩健。Philipp Thomas博士指出：“我們的基因干擾實(shí)驗表明，自然時(shí)鐘在噪音最小值附近運作，這意味著(zhù)進(jìn)化偏好精確的時(shí)間控制。”這種穩健性使得細胞能夠在同步狀態(tài)下持續運轉數百天。

基于Kai蛋白的振蕩器賦予生物鐘穩健性

藍藻的生物鐘由三種Kai蛋白組成，這些蛋白不斷結合和解離，受一種稱(chēng)為磷酸化的生化過(guò)程驅動(dòng)，形成24小時(shí)的節律性循環(huán)。

Eremina博士補充道：“通過(guò)數學(xué)建模和突變分析，我們展示了這種穩健性源于核心Kai蛋白基振蕩器，而不是更廣泛的基因調控網(wǎng)絡(luò )。這一發(fā)現對探索合成生物學(xué)應用的人們而言非常有前景，因為穩定的時(shí)間控制系統至關(guān)重要。”

研究人員還讓藍藻的生物鐘接受復雜的光明/黑暗周期，包括人工和自然環(huán)境，以了解它們如何應對日常天氣變化。特別是，他們重現了來(lái)自加勒比海的真實(shí)氣象光模式，細胞時(shí)鐘以與其數學(xué)模型預測的方式作出響應。

James Locke教授解釋了結果的重要性：“盡管光照條件多變，藍藻的生物鐘展示了過(guò)濾環(huán)境噪音的卓越能力，同時(shí)在一定程度上保持對環(huán)境變化的敏感性。我們的研究表明，簡(jiǎn)單的生物鐘網(wǎng)絡(luò )能夠展現復雜的噪聲過(guò)濾特性，推進(jìn)了我們對生物電路如何在自然環(huán)境中準確運行的理解。”

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-025-58169-8