在加州大学默塞德分校建造的人造细胞以完美的24小时节律脉动，与真实细胞无异。
在一项融合生物学与工程学的突破中，科学家们构建出了模拟自然界内部计时机制的合成细胞。
加州大学默塞德分校的研究人员成功设计出微小的人工囊泡，这些囊泡以稳定、24小时的节律脉动，这一壮举模拟了控制生物体内睡眠、新陈代谢及其他关键生理过程的昼夜节律。
该团队的研究结果揭示了生物钟如何在细胞内部充满噪声且不断波动的环境中依然能保持惊人的稳定性。
这项研究由生物工程学教授 Anand Bala Subramaniam 和化学与生物化学教授 Andy LiWang 领导，博士生 Alexander Zhang Tu Li 是第一作者。
微小细胞，宏大节律
为了解生物钟保持如此精确的原因，该团队在简化的、类细胞囊泡内重构了蓝藻的生物钟机制。其中一种核心蛋白质被添加了荧光标记，使得人造细胞能够按照每日节律同步发光。
团队发现，这种发光现象至少持续了四天，但仅限于特定条件下。
当囊泡做得更小或内部的时钟蛋白质数量减少时，节律就崩溃了。重要的是，这种崩溃遵循一种可重现的模式，这为理解维持昼夜节律计时系统平稳运行的因素提供了线索。
为了深入研究，研究人员构建了一个计算模型，模拟人工时钟在不同条件下的行为。
该模型揭示，时钟的稳定性随着蛋白质浓度的升高而增强，这解释了为何生物体可能需要储备大量这类分子来可靠地计时。
Subramaniam 教授表示：“这项研究表明，我们可以利用简化的合成系统来剖析和理解生物计时的核心原理。”
计时、破解与编码
该模型也阐明了同步化问题。研究发现，虽然某些遗传成分（特别是负责基因开关的元件）对于单细胞计时并非必需，但它们在协调更大细胞群体间的时钟同步方面起着关键作用。
俄亥俄州立大学微生物学教授 Mingxu Fang（未参与此项研究）评论道：“蓝藻的昼夜节律钟依赖于缓慢且本身充满噪声的生化反应，有观点认为需要大量的时钟蛋白来缓冲这种噪声。这项新研究引入了一种方法，可在模拟细胞尺寸、大小可调的囊泡内观察重构的时钟反应。这一强大工具使我们能够直接测试具有不同细胞大小的生物体如何以及为何会采取不同的计时策略，从而加深我们对不同生命形式中生物计时机制的理解。”
除了为理解细胞如何管理时间打开一扇窗，这项研究也为合成生物学开启了新的大门。
设计具有强大内部时钟的人工系统的能力，可能带来深远的应用前景，范围包括：设计能在预定时间表释放药物的自我调节疗法，到构建能够同步运行或响应光、温度等外部信号的生物机器。
该研究得到了授予 Subramaniam 教授的美国国家科学基金会事业奖（NSF CAREER），以及授予 LiWang 教授的美国国立卫生研究院（NIH）和陆军研究办公室（ARO）的资助。额外支持来自加州大学默塞德分校的NSF CREST 细胞与生物分子机器中心。
这项研究的成果已发表于《自然-通讯》期刊。
如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！