圖片說明：地球以及KaiC蛋白的生物鐘。圖片來源：IMS/NINS

近期日本科研團隊發現，地球每天的自轉周期（24小時）在KaiC蛋白質原子級上形成了編碼。KaiC蛋白質是一種小型生物分子（直徑10納米），主要在藍藻細胞中實現表達（圖1所示）。

該研究成果将有助于闡述時間生物學（chronobiology）領域一個長期存在的問題：是什麼決定了生物鐘的周期長度？同時該研究成果也有助于人們理解生物鐘的基本分子機制；促進對（與生物節律異常相關的）生物功能紊亂的治療。

由于地球自轉，為了與環境的晝夜變化保持一緻（主要包括光照強度和溫度），生物體會經常調節自身生物學活性，以期使自身處于最佳狀态，并保持更高的工作效率。生物鐘是指生物調節自身活動時間的機理，生物鐘周期一般設定為24小時左右。從細菌到哺乳動物，科研人員已經開展了與生物鐘有關的大量研究。目前的結論是：生物鐘與多種疾病存在着一定聯系。但是到目前為止，科研人員仍無法确定24小時的生物鐘節律是如何實現的。

研究人員通過藍藻細菌解釋了這個問題。研究發現，人們可以通過調節三種生物鐘蛋白質（KaiA、KaiB和KaiC）以及三磷酸腺苷（ATP）來重構藍藻細菌的生物鐘。2007年發表的一篇文章指出，KaiC蛋白中ATP酶（能促進ATP發生水解反應）活性與晝夜周期緊密相關。研究結果表明，KaiC蛋白質的功能結構決定了生物鐘周期。

在KaiA蛋白以及KaiB蛋白共存條件下，KaiC蛋白ATP酶活性生物振蕩周期很強（圖2所示）。在本研究中，即使不存在KaiA蛋白和KaiB蛋白，KaiC蛋白ATP酶活性的時間曲線顯示出下降和振蕩周期。經過仔細分析發現，這個信号的頻率為0.91/天，基本與24小時的周期保持一緻。因此，研究人員認為KaiC蛋白是穩定循環的源頭，該循環與地球自轉周期保持一緻。

為确定相應因果關系的結構性因素，科研人員對KaiC蛋白的N-末端結構域進行了高分辨率晶體學分析。由此産生的原子結構揭示了，相對于其他ATP酶，KaiC蛋白相對較慢的原因（如圖3所示）。Jun Abe解釋道：“通過ATP磷酸基團周圍的空間位阻效應，水分子在攻擊相應ATP水解理想位置（圖3中黑點位置）時受阻。此外，該位阻結構牢牢地固定在一種似彈簧結構上（由多肽異構體衍生而來）。ATP的水解過程包括水分子接近并結合在ATP分子上，然後實現多肽分子的反向異構化，這一過程一般要比典型ATP水解過程需要更多自由能。因此本研究所展現的原子三維立體結構，解釋了為什麼KaiC蛋白ATP酶活性比其他典型ATP酶活性低很多（相差100倍到100萬倍左右）。

生物鐘周期不會受到周圍溫度影響，人們将這種情況稱為溫度補償現象（temperature compensation）。一個KaiC蛋白分子由6個亞基結構所組成，每個亞基又包含一系列ATP酶結構的複制區域。由上述機制所調控的不對稱原子結構形成了相應反饋機制，這一機制能将ATP酶活性保持在低常值水平。相關研究人員發現，地球自轉周期與由蛋白質結構所實現的反饋機制周期常數相一緻。

圖片說明：緩慢穩态的結構基礎。該空間位阻防止了水分子達到相應的催化位點（圖中黑點所示）。圖片來源：IMS/NINS

KaiC以及其他類型蛋白能在短時間内移動（大概在10^-12到10^-1秒的數量級上）。該研究首次在原子級别闡明了，小型蛋白分子通過調節分子活性和結構，可以産生24小時生物節律。實驗室主管Shuji Akiyama教授表示：“水分子、ATP、多肽鍊以及其他常規生物分子參與到了調控過程，這表明人類及其他複雜生物也有可能共享類似的分子機理。在含有無數細胞分析信号的擁擠細胞生物環境中，通過少量由消耗ATP所産生的能量，KaiC就能表現出長節奏振蕩（long-paced oscillations）。這種聰明機理（在噪聲環境中記錄時間）促進發展更有效、更穩定化學反應過程以及基于分子系統的信息處理。（科學之家，譯審：Kong）

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