细菌可以用体内的生物钟报时

细菌的时钟

让我们来看看体内的生物钟——枯草芽孢杆菌。资料来源:丹麦技术大学教授Akos Kovacs

人类有它们,其他动物和植物也有。现在研究表明,细菌也有与地球上24小时生命周期一致的生物钟。

该研究回答了一个长期存在的生物学问题,并可能对药物输送的时间、生物技术以及我们如何开发及时的作物保护解决方案产生影响。

生物钟或昼夜节律是一种精妙的内部定时机制,广泛应用于自然界,使生物体能够应对昼夜甚至季节之间的重大变化。

这些存在于细胞内的分子节律利用外部信号,如日光和温度,使生物钟与环境同步。这就是为什么我们会经历时差反应,因为我们的生物钟在调整到我们旅行目的地新的光明和黑暗周期之前暂时不匹配。

在过去的20年里,越来越多的研究已经证明了这些分子节拍器在重要过程中的重要性,例如人类的睡眠和认知功能,以及植物的水分调节和光合作用。

尽管细菌占地球生物量的12%,对健康、生态和工业生物技术都很重要,但人们对它们的24小时生物钟知之甚少。

先前的研究表明,需要光来产生能量的光合细菌具有生物钟。但在这方面,自由生活的非光合细菌仍然是个谜。

在这项国际研究中,研究人员在非光合作用的土壤细菌枯草芽孢杆菌中检测到了自由运行的昼夜节律。

该团队应用了一种名为荧光素酶报告的技术,该技术包括添加一种产生生物发光的酶,使研究人员可以可视化一个生物体内基因的活性。

他们集中研究了两个基因:首先,一个名为ytvA的基因,它编码蓝光感光器;其次是一种名为KinC的酶,它参与诱导细菌中生物膜和孢子的形成。

他们观察了持续黑暗和12小时光照和12小时黑暗的基因水平。他们发现,ytvA水平的模式会随着光照周期的变化而变化,在黑暗时,ytvA水平增加,在光照时,ytvA水平降低。在持续的黑暗中仍然可以观察到一个周期。

研究人员观察到,一种稳定的模式是如何在几天后出现的,如果条件相反,这种模式可以逆转。这两种观察结果是昼夜节律的共同特征,以及它们对环境信号的“引导”能力。

他们利用每天的温度变化进行了类似的实验;例如,增加每日循环的长度或强度,并发现ytvA和kinC的节律与昼夜节律一致,而不是简单地根据温度开关。

“我们第一次发现非光合作用的细菌可以辨别时间,”来自慕尼黑路德维希马克西米利恩大学的首席作者Martha Merrow教授说。“它们通过阅读光照或温度环境下的循环来调整分子的工作方式以适应一天的时间。”

“除了医学和生态问题,我们希望用细菌作为模型系统来理解昼夜节律钟机制。研究这种细菌的实验室工具非常出色,应该能让我们取得快速进展,”她补充道。

这项研究可以用来帮助解决这样的问题:一天中细菌接触的时间对感染重要吗?工业生物技术过程是否可以通过考虑时间来优化?抗菌治疗的时间重要吗?

“我们的研究为研究细菌的昼夜节律打开了大门。现在我们已经确定细菌可以知道时间,我们需要找出导致这些节奏发生的过程,并理解为什么有节奏会给细菌带来优势,”约翰·英尼斯中心的安东尼·多德博士说。

来自丹麦技术大学的合著者Akos Kovacs教授补充道:“从洗衣粉生产到作物保护,枯草芽孢杆菌被广泛应用于各种领域,最近还被用作人类和动物的益生菌,因此用这种细菌制造一个生物时钟将在各种生物技术领域达到极致。”

参考:“非光合作用的原核生物中的昼夜节律钟”,2021年1月8日,科学的进步
DOI: 10.1126 / sciadv.abe2086

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