科学家发现细菌昼夜节律钟的复杂性
超过 10%的生命形式是由细菌组成的，但直到最近我们才了解到，与人类类似，土壤细菌也拥有内部时钟。这些昼夜节律使它们的活动与地球的 24 小时昼夜周期保持一致。新的研究表明，这些细菌的昼夜节律钟是多么复杂和精密，为一个令人兴奋的新研究阶段扫清了道路。这项工作将提供多种机会，从抗生素使用的精确计时，到更智能的肠道和土壤微生物组的生物工程。
枯草芽孢杆菌生物发光的图像 资料来源：Ella Baker - Jack Dorling 约翰-英纳斯中心
慕尼黑路德维希-马克西米利安大学（Ludwig Maximillian University Munich，LMU Munich）、约翰-英纳斯中心（The John Innes Centre）、丹麦科技大学（The Technical University of Denmark）和莱顿大学（Leiden University）的国际合作团队通过探测广泛存在于土壤中的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的基因表达作为时钟活动的证据，取得了这一发现。
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主要作者 Francesca Sartor 博士（慕尼黑大学）报告说："这种微生物的昼夜节律钟无处不在：我们看到它调控着多个基因和一系列不同的行为"。
约翰-英纳斯中心的安东尼-多德（Antony Dodd）教授补充说："令人吃惊的是，一个基因组如此小的单细胞生物，其昼夜节律钟的某些特性却能唤起更复杂生物的时钟。"
该合作团队之前的工作已经证明，在这种细菌的实验室衍生菌株中存在昼夜节律钟。这是首次在枯草杆菌中观察到昼夜节律钟。研究人员利用一种技术，插入一种叫做荧光素酶的酶，当基因表达时，这种酶就会发光。这种生物发光引导研究小组监测细菌时钟的变化情况。
这篇论文的资深作者、慕尼黑大学的玛莎-梅罗（Martha Merrow）教授说："这项研究表明，昼夜节律钟广泛存在于枯草芽孢杆菌中。我们或许可以利用时钟知识来改善健康状况，提高食品生产或生物技术的可持续性。"
这项新研究是向前迈出的重要一步，原因是多方面的。它揭示了这些时钟存在于从自然环境中收集的菌株中，因此可能在这种细菌中广泛存在。 此外，枯草杆菌在恒定黑暗和恒定光照条件下都能持续显示昼夜节律，研究人员揭示了许多其他生物的昼夜节律钟中存在的细微反应。在昼夜节律生物学领域，这些反应被称为"后效"和"阿肖夫法则"。综合来看，这表明细菌能像更复杂的生物一样，随着光照和温度条件的变化，使其生理和新陈代谢与一天中的不同时间同步。
这一发现为生物技术、人类健康和植物科学提供了机遇。了解细菌昼夜节律钟的特性可能有助于我们对微生物学的工业应用；它可能使我们对微生物组是如何形成的有一个新的认识，并可能表明抗生素在一天中的某些时间对病原菌的破坏作用有多大。这些知识还可以帮助我们保护农作物。枯草芽孢杆菌是一种有益的土壤细菌，农民用它来帮助养分交换、植物生长和抵御病原微生物。
研究小组正在开发枯草芽孢杆菌，作为研究细菌昼夜节律钟的模式生物。下一步的工作之一是找出构成时钟机制的基因。研究小组还对枯草芽孢杆菌昼夜节律钟如何依赖多细胞组织实现其全部功能感到好奇。
昼夜节律钟是一种内部振荡器，能使生物的生理和新陈代谢适应24小时的环境变化，如光照、温度或捕食者行为的变化，从而为生物提供选择性优势。当我们进入不同的时区时，它们就会产生令人不安的时差效应。
莱顿大学和丹麦技术大学的 Ákos T. Kovács 教授说："法国生物学家雅克-莫诺曾说过一句名言："大肠杆菌的真实情况就是大象的真实情况"。"当时，他指的是分子生物学的普遍规则--DNA 和蛋白质。同样，枯草杆菌--一种只有四千个基因的细菌--体内的昼夜节律钟竟然有一个复杂的昼夜节律系统，让人联想到苍蝇、哺乳动物和植物等复杂生物体的昼夜节律钟。"
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