合成细胞中昼夜节律时钟的重构揭示时间保持机制

研究人员通过在巨型单层脂质体(GUVs)中重构蓝藻昼夜节律核心蛋白KaiABC的翻译后振荡器(PTO)，揭示了微小细胞容积中维持节律精确性的分子机制。研究发现高表达PTO蛋白及辅助蛋白(CikA/SasA)可缓冲蛋白浓度波动，而转录-翻译反馈环(TTFL)对群体同步性至关重要。该研究为理解生物钟稳健性提供了新范式。

　　

昼夜节律是生命体适应地球自转的重要生理机制，而蓝藻作为最简单的生物钟模型，其核心振荡器仅需三种Kai蛋白（KaiA、KaiB、KaiC）就能在体外实现持续振荡。然而，蓝藻细胞体积仅2飞升（fL），比传统体外实验体系（100μL）小10¹¹倍，这种微小容积中如何维持节律精确性仍是未解之谜。更令人困惑的是，蓝藻体内PTO蛋白浓度（2.1x）远超体外最低需求（0.75x），这种"过度表达"的生物学意义亟待阐明。

加州大学默塞德分校（University of California, Merced）的研究团队在《Nature Communications》发表创新性研究，通过将KaiABC振荡器封装在细胞尺寸的巨型单层脂质体（GUVs）中，首次在合成细胞中实现了自主昼夜节律。研究采用PAPYRUS-wDL（纸辅助两亲分子水合法结合扩散加载）技术构建GUVs，通过荧光标记KaiB-6IAF和共聚焦显微镜进行长达4天的单囊泡追踪，结合数学模型揭示了微小容积中节律调控的新机制。

关键技术包括：1）PAPYRUS-wDL实现蛋白的细胞样分布封装；2）KaiB-6IAF荧光淬灭技术实时监测PTO状态；3）单囊泡长时间追踪技术；4）整合膜结合效应的数学模型。

【主要结果】

1. 蛋白封装特征：GUVs内蛋白浓度呈γ分布（CV≈0.3），与天然细胞相似，且与囊泡尺寸无关。

   

2. 振荡保真度规律：PTO-GUVs呈现"全或无"振荡，保真度随囊泡尺寸减小和蛋白浓度降低而下降。1x浓度下2μm GUVs仅7%振荡，而2.5x时达70%。

3. 膜结合现象：重现了蓝藻中KaiB膜结合特征，膜结合KaiB可能通过减少游离蛋白量影响振荡。

   

4. 数学模型预测：包含蛋白分配、膜结合效应的模型准确重现实验数据，扩展模型显示：

   • 辅助蛋白SasA/CikA将体内保真度从85.9%提升至99.6%

   • TTFL缺失导致4天内群体同步性丧失

【重要意义】

该研究首次在合成细胞中重构出自主昼夜节律，揭示蓝藻通过高表达PTO蛋白（2.1x）和辅助蛋白来缓冲微小容积中的随机波动，而TTFL主要维持群体同步性。这一发现为理解生物钟稳健性提供了新视角，建立的"合成细胞-数学模型"研究范式可推广至其他复杂生物过程研究。研究同时证明膜结合是影响节律调控的新因素，为设计合成生物钟系统提供了重要指导。

研究创新性地将体外重建与合成生物学相结合，不仅解决了蓝藻生物钟领域的关键问题，更为研究其他受限于细胞微小容积的生物学过程（如相分离、信号传导）提供了普适性方法。这种"从分子到系统"的研究思路，标志着合成生物学研究从简单重建向机制解析的重要转变。