科学家如何制造计时细胞
加州大学默塞德分校的一组研究人员表明，微小的人造细胞可以准确地计时，模仿生物体中的日常节律。 他们的发现揭示了尽管细胞内存在固有的分子噪声，但生物钟如何保持按计划进行。 这项研究最近发表在自然通讯，由生物工程教授 Anand Bala Subramaniam 和化学和生物化学教授 Andy LiWang 领导。 第一作者亚历山大·张图利 （Alexander Zhang Tu Li） 获得博士学位。在 Subramaniam 的实验室。 生物钟——也称为昼夜节律——控制调节睡眠、新陈代谢和其他重要过程的 24 小时周期。 为了探索蓝藻昼夜节律背后的机制，研究人员在称为囊泡的简化细胞状结构中重建了发条。 这些囊泡加载了核心时钟蛋白，其中一个被荧光标记物标记。 人造细胞以 24 小时有规律的节奏发光至少四天。 然而，当时钟蛋白的数量减少或囊泡变小时，有节奏的光芒就停止了。 节律的丧失遵循可重复的模式。 为了解释这些发现，该团队构建了一个计算模型。 该模型表明，随着时钟蛋白浓度的增加，时钟变得更加稳健，使数千个囊泡能够可靠地保持时间——即使囊泡之间的蛋白质量略有不同。 该模型还表明自然昼夜节律系统的另一个组成部分——负责打开和关闭基因——在维持个体时钟方面不起主要作用，但对于同步整个人群的时钟时间至关重要。 研究人员还指出，一些时钟蛋白往往会粘在囊泡壁上，这意味着维持正常功能需要高总蛋白质计数。 “这项研究表明，我们可以剖析和理解使用简化的合成系统的生物计时，“Subramaniam 说。 俄亥俄州立大学微生物学教授、生物钟专家方明旭说，由 Subramaniam 和 LiWang 领导的工作推进了研究生物钟的方法。 “蓝藻生物钟依赖于缓慢的生化反应，这些反应本质上是嘈杂的，有人提出需要高时钟蛋白数来缓冲这种噪音，”方说。 “这新研究引入了一种方法来观察模仿细胞尺寸的大小可调囊泡内重构的时钟反应。 这个强大的工具可以直接测试不同细胞大小的生物体如何以及为什么会采用不同的计时策略，从而加深我们对跨生命形式的生物计时机制的理解。 Subramaniam 是生物工程系的教员，也是健康科学研究所 （HSRI） 的附属机构。LiWang 是化学与生物化学系的教员，该系也隶属于 HSRI。 他是美国微生物学会院士，也是蛋白质学会 2025 年多萝西·克劳富特·霍奇金奖的获得者。 这项工作得到了 Subramaniam 材料研究部颁发的美国国家科学基金会 CAREER 奖以及美国国立卫生研究院和陆军研究办公室授予 LiWang 的资助的支持。 LiWang得到了一个加州大学默塞德分校 NSF CREST 细胞和生物分子机器中心的奖学金。