科学探索|是什么驱动着神奇的昼夜节律？来看看蓝藻的生物钟是什么驱动着神奇的昼夜节律

据国外媒体报道，昼夜节律是生物体内部一种约24小时的生物钟周期，包括人类、植物、真菌和细菌等，都被观察到具有类似的生理变化。在近期的一项研究中，科学家分析了蓝藻的复杂生理机制，试图揭开是什么驱动了蓝藻的生物钟。
该研究团队来自日本冈崎的自然科学研究机构分子科学研究所，他们的研究结果发表于2022年4月15日的《科学-进展》（Science Advances）杂志上。
该团队的研究重点是调节蓝藻昼夜节律的生物时钟蛋白KaiC 。蓝藻其实是一类能通过产氧光合作用获取能量的革兰氏阴性菌，又称蓝细菌，在几乎所有类型的水体中都能存活，在土壤和岩石等环境中也有发现。此前的研究已经证实，昼夜节律已经被“编码”进了KaiC蛋白。就其组成部分的数量而言，蓝藻的生物钟是最简单的生物钟，但仍然是一个非常复杂的系统，可以为科学家提供所有生物钟工作机制的线索。在新研究中，科学家检查了蓝藻KaiC蛋白变构的结构基础。蓝藻的生物钟便是由变构作用所驱动的。

文章图片

驱动蓝藻昼夜节律的时钟蛋白质。在试管中可以观察到磷酸化循环（红色圆圈“P”表示磷的转移）和ATP水解循环（蓝色圆圈“ATP”和“ADP”表示三磷酸腺苷转化为二磷酸腺苷）的昼夜节律。

研究团队通过筛选数千种结晶条件，研究了KaiC时钟蛋白的原子结构。对原子结构的详细研究使他们能够掌握整个磷酸化循环，即磷酸盐被转移到蛋白质上的过程。与磷酸化循环共同发挥作用的是另一个反应循环——ATP（三磷酸腺苷）水解，后者是决定生物时钟速率的能量消耗事件。磷酸化- ATP水解系统就像细胞活性的调节器。为了理解KaiC蛋白变构的基础，研究人员在8种不同状态下使KaiC蛋白结晶，从而观察到磷酸化循环和ATP水解循环之间的“合作”——就像两个齿轮一样。
在过去，科学家们通过生物体内和体外实验及计算机模拟对KaiC蛋白的磷循环进行了研究，但变构作用对KaiC的磷循环的调节机制尚不清楚。通过研究8种不同状态下的KaiC蛋白，该团队观察到了磷循环和ATP酶水解循环中发生的耦合现象。这两个循环的耦合驱动了蓝藻的生物钟。

文章图片

KaiC蛋白中两个循环的协同作用。在KaiC蛋白的双环结构中发生了磷酸化循环和ATP水解循环，这两个循环是由酸性、碱性和中性组分之间的氢键介导的。

由于蛋白质是由大量原子组成的，要理解它们复杂而有序的功能机制并不容易。我们需要耐心地追踪蛋白质的结构变化。KaiC蛋白会有节律地自主激活和灭活反应周期，以调节其他时钟相关蛋白的装配状态。考虑到这一点，研究团队下一步可能会使用结构生物学来揭示耦合循环加速和减速的原子机制，目标是在原子水平上看到振荡期间所有的蓝藻生物钟蛋白，并描述有序节律从混沌的原子动力学中产生的时刻。
【科学探索|是什么驱动着神奇的昼夜节律？来看看蓝藻的生物钟】这项工作可以作为一种新的研究工具，帮助科学家更好地理解昼夜节律时钟周期的工作机制。展望未来，研究团队认为他们的发现可以有更广泛的应用。哺乳动物、昆虫、植物和细菌都有自己的生物钟蛋白质，它们的序列和结构都各不相同，但是，KaiC蛋白动力学和时钟功能之间关系背后的逻辑可以适用于其他各种生物体的研究。