在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自德國(guó)和荷蘭的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)世界上最古老的生物鐘之一的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制。據(jù)我們所知，這個(gè)生物鐘在地球上的生命中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。他們發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻（cyanobacteria）中的這個(gè)生物鐘如何詳細(xì)地運(yùn)轉(zhuǎn)。鑒于藍(lán)藻是地球上首個(gè)通過(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣的有機(jī)體，它們?cè)诶斫馍邪l(fā)揮著重要的作用。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年3月17日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Structures of the cyanobacterial circadian oscillator frozen in a fully assembled state”。
10年前，研究人員已發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻中的這個(gè)生物鐘僅有三種蛋白組分— KaiA、KaiB和KaiC—組成。另外，這三種蛋白組分的組裝需要ATP釋放的能量。這些組分是一種巧妙的系統(tǒng)的構(gòu)成單元，就好比是精密的瑞士鐘表的齒輪、彈簧和擺輪。在2005年，日本科學(xué)家證實(shí)在試管中，當(dāng)加入一點(diǎn)能量時(shí)，這三種蛋白組分的溶液能夠幾天內(nèi)按照24小時(shí)周期運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，盡管這個(gè)生物鐘的相對(duì)簡(jiǎn)單性，這些科學(xué)家并不能夠揭示它的精確運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制。
威廉-?？思{（William Faulkner）
科學(xué)家們?nèi)绾文軌蚪馕龀鰡蝹€(gè)蛋白組分的工作機(jī)制？論文共同通信作者、荷蘭烏得勒支大學(xué)的研究領(lǐng)導(dǎo)者Albert Heck說(shuō)，“最終，理解藍(lán)藻中的這個(gè)滴答作響的生物鐘的訣竅就是直接地讓時(shí)間停頓下來(lái)?；蛘哒缰Z貝爾文學(xué)獎(jiǎng)得主William Faulkner所說(shuō)的，‘只有當(dāng)時(shí)鐘停止時(shí)，生命才會(huì)到來(lái)’。我們讓這個(gè)生物鐘在冰箱中運(yùn)轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，從而延緩它。按照字面意思，我們凍結(jié)時(shí)間了?！?/span>
新的組合
除了讓時(shí)間停止之外，這些研究人員采用一組前沿的研究技術(shù)。利用一種技術(shù)，他們能夠確定這三種蛋白復(fù)合體（KaiA、KaiB和KaiC）中的每種復(fù)合體在單個(gè)24小時(shí)周期內(nèi)多久一次組裝或拆解。這讓他們知道哪些蛋白組分組合（齒輪、彈簧和擺輪的組合）決定著這種晝夜節(jié)律。
放大觀察
這些研究人員隨后通過(guò)降低溫度讓這種生物鐘在特定的時(shí)刻停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這允許他們利用多種技術(shù)更加詳細(xì)地放大觀察在這些特定時(shí)刻的蛋白組分組合在一起時(shí)的結(jié)構(gòu)—這些齒輪、彈簧和擺輪的位置。通過(guò)這樣做，他們鑒定出在理解這個(gè)生物鐘如何運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的兩種結(jié)構(gòu)。他們隨后能夠通過(guò)確定從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換到另一種結(jié)構(gòu)，推斷出這些齒輪如何轉(zhuǎn)動(dòng)。最終，他們獲得的一種結(jié)構(gòu)模型展示了僅這三種蛋白組分如何精確地形成一種精密的按照24小時(shí)周期運(yùn)轉(zhuǎn)的鐘表。
Heck說(shuō)，“盡管就地質(zhì)歷史而言，藍(lán)藻的這個(gè)生物鐘是非常古老的，但是我們?nèi)缃袢匀荒軌驈倪@個(gè)系統(tǒng)中學(xué)習(xí)到很多?！眱H在幾年前，研究人員已在我們的紅細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)一種類(lèi)似的過(guò)程。Heck總結(jié)道，“藍(lán)藻是首個(gè)產(chǎn)生氧氣的有機(jī)體。氧氣富集是如今的生命的基礎(chǔ)。利用這項(xiàng)研究的結(jié)果，我們正在了解生命的這個(gè)生物學(xué)上的原始機(jī)制?！?/span>
藍(lán)藻中的生物鐘晝夜轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
在藍(lán)藻中，時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)是由KaiA、KaiB和KaiC和一組信號(hào)輸出蛋白SasA和CikA控制著的。這組信號(hào)輸出蛋白對(duì)這種晝夜節(jié)律加以轉(zhuǎn)換，從而控制基因表達(dá)。
在另一項(xiàng)新的研究中，Roger Tseng等人描述了KaiB-KaiC,KaiA-KaiB-KaiC和CikA-KaiB復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)和核磁共振結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果表明KaiB的較大的構(gòu)象變化和KaiC促進(jìn)的ATP水解與它們結(jié)合到信號(hào)輸出蛋白上保持一致，從而將這個(gè)生物鐘的信號(hào)與晝夜轉(zhuǎn)換偶聯(lián)在一起。
