细菌生物钟的惊人复杂性

细菌占所有生物的 10% 以上，但直到最近我们才意识到，就像人类一样，土壤细菌也有内部时钟，可以将其活动与地球上 24 小时的昼夜周期同步。

新的研究表明这些细菌的生物钟是多么复杂和精密，为令人兴奋的新阶段的研究扫清了道路。这项工作将提供多种机会，从抗生素使用的精确时间到生物工程智能肠道和土壤微生物组。

慕尼黑路德维希马克西米利安大学(LMU慕尼黑)、约翰英尼斯中心、丹麦技术大学和莱顿大学的国际合作，通过探测基因表达作为广泛的土壤细菌枯草芽孢杆菌时钟活动的证据，做出了这一发现。

主要作者 Francesca Sartor 博士(慕尼黑大学)报告说：“这种微生物的生物钟是普遍存在的：我们看到它调节着多个基因和一系列不同的行为。”

约翰·英尼斯中心的安东尼·多德教授补充道：“令人惊讶的是，基因组如此小的单细胞生物却拥有生物钟，其某些特性可以唤起更复杂生物体的生物钟。”

该合作团队之前的工作已经证明，这种细菌的实验室衍生菌株中存在生物钟。这是首次在枯草芽孢杆菌中观察到生物钟。研究人员使用了一种技术，插入一种称为荧光素酶的酶，当基因表达时，该酶会产生光。这种生物发光指导团队在条件变化时监测细菌时钟。

该出版物的资深作者、慕尼黑大学的玛莎·梅罗教授表示：“这项研究表明，生物钟广泛存在于枯草芽孢杆菌中。我们可以利用时钟知识来改善健康状况并提高食品生产或生物技术的可持续性。”

出于多种原因，这项新研究是向前迈出的重要一步。它表明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，枯草芽孢杆菌在持续黑暗和持续光照下继续表现出昼夜节律，研究人员揭示了在许多其他生物体的生物钟中发现的微妙反应的例子。在昼夜节律生物学领域，这些反应被称为“后遗症”和“阿肖夫规则”。总而言之，这表明，就像在更复杂的生物体中一样，随着光照和温度条件的变化，细菌可以将其生理和新陈代谢同步到一天中的不同时间。

这一发现为生物技术、人类健康和植物科学提供了机遇。了解细菌生物钟的特性可能有助于我们微生物学的工业应用;它可能会导致人们对微生物组如何形成有新的认识，并可能表明抗生素在一天中的某些时间破坏病原菌的效果如何。这些知识也可以帮助我们进行作物保护。枯草芽孢杆菌是一种有益的土壤细菌，农民利用它来协助养分交换、植物发育和防御病原微生物。

该团队正在开发枯草芽孢杆菌作为研究细菌生物钟的模式生物。接下来的步骤之一是找出哪些基因正在运作以构成时钟机制。该团队还很好奇枯草芽孢杆菌生物钟如何依赖多细胞组织来实现其全部功能。

昼夜节律钟是内部振荡器，通过使生物体的生理和新陈代谢适应环境的 24 小时变化(例如光、温度或捕食者行为的变化)，为生物体提供选择性优势。当我们进入不同的时区时，它们会引起时差的不和谐影响。

莱顿大学和丹麦技术大学的 Ákos T. Kovács 教授表示：“法国生物学家雅克·莫诺曾经说过一句名言：‘适用于大肠杆菌的道理也适用于大象。’” 当时，他指的是分子生物学的普遍规则——DNA 和蛋白质。同样，令人惊奇的是，枯草芽孢杆菌(一种只有四千个基因的细菌)的生物钟具有复杂的生物钟系统，让人想起苍蝇、哺乳动物和植物等复杂生物体的生物钟。”

枯草芽孢杆菌的生物钟唤起了复杂的多细胞昼夜节律系统的特性，出现在《科学进展》上