Intrinsic timekeeping in Escherichia coli

从最微小的单细胞生物到复杂的动物，大多数生物都拥有一种内在的时间感。这种生物钟让它们能够预判环境中可预测的变化，例如日出的到来或夜间空气的降温，而不仅仅是在变化发生后才做出反应。在人类和其他动物身上，这些时钟协调着睡眠、代谢和免疫功能，确保相互冲突的活动不会同时发生。几十年来，科学家们一直认为这种计时能力仅限于拥有复杂神经系统的生物，或者是像植物和某些通过光合作用获取阳光的细菌那样进行光合作用的生物。非光合作用细菌构成了微生物世界中的绝大部分，人们通常认为它们缺乏这种内在的计时机制，而是处于一种简单的、反应性的状态。

然而，一支研究团队现在发现这一假设是不正确的。他们发现，大肠杆菌（Escherichia coli）——一种常存在于人类肠道中的常见细菌——拥有一种内在的计时能力。这种细菌不仅仅是对周围环境做出反应；它能够学习一种每日节律，并且即使在外部线索被移除时也能继续遵循该节律。研究表明，这些细菌使用一种特定的内部信号系统来追踪时间的流逝，从而使它们能够在每日温度变化发生之前就做好准备。这一发现表明，预判未来的能力在微生物世界中比此前想象的要广泛得多，挑战了长期以来认为计时是复杂生命形式特有属性的观点。

研究人员首先通过观察大肠杆菌在受控环境中的行为开始了他们的调查。他们在一种含有红色染料的特殊凝胶上培养了呈圆形分布的细菌菌落。这种染料会结合一种被称为 curli 的粘性物质，细菌产生这种物质是为了帮助它们附着在表面并形成被称为生物膜的保护性群落。科学家知道 curli 的产生对温度很敏感，因此他们将细菌菌落放入了一个在 25.5 摄氏度的低温和 28.5 摄氏度的微温之间循环的培养箱中。他们每十二小时改变一次温度，模拟昼夜循环。

随着细菌从培养皿中心向外生长，它们留下了活动的可见记录。当细菌产生 curli 时，红色染料会为该区域染色，形成一个深色的环；当它们停止产生时，环则保持透明。如果细菌仅仅是对温度做出反应，那么深色环应该恰好在温度变化时出现。然而，研究人员观察到了不同的情况。经过几天时间，细菌开始改变其行为。它们开始在预定升温前约六个小时产生这种粘性的 curli 物质。这种从“反应”到“预判”的转变是真正生物钟的标志。细菌已经将它们的内在节律与外部温度循环同步，有效地学习了这一日程表。

为了证明这种节律是内在的而非仅仅是对环境的持续反应，科学家们进行了一项至关重要的测试。在经历了三天的温度循环后，他们将细菌置于恒定不变的温度中。如果细菌仅仅是对热量做出反应，那么产生环的模式应该立即停止。然而，细菌竟然以一种有节奏的模式持续产生了至少三天之久。它们保持着大约二十四小时的稳定节拍，即便外部世界已经归于沉寂。这种被称为“自由运行节律”（free-running rhythm）的现象证实了细菌是在运行一个由早先温度变化所设定的内在计时器。

随后，团队研究了细菌如何协调两种相互对立的行为：粘附表面和移动。细菌利用被称为鞭毛的鞭状尾部向有利条件游动，但它们必须停止游动并建立粘性表面以形成稳定的群落。这两项活动是互斥的；细菌无法同时完成这两件事。研究人员发现，细菌在时间上分离了这些任务。当细菌在产生用于粘附的粘性 curli 最为活跃时，负责构建游泳鞭毛的基因处于静默状态。反之，当细菌准备游动时，粘性物质的产生便会停止。这种分离确保了细菌不会在尝试执行冲突任务时浪费能量，这种策略类似于人类在夜间睡觉而在白天活动的模式。

为了理解这种时钟背后的机制，研究人员转向了遗传学。他们研究了细菌内部一种特定的通信系统，称为 Rcs 磷酸化传递系统（Rcs phosphorelay）。该系统就像一场接力赛，将化学信号从细胞外缘传递到内部控制中心，以告知细菌该做什么。通过制造出该系统中部分组件损坏的细菌，科学家们发现 Rcs 通路对于时钟的运作至关重要。如果没有这个传递路径中的特定组件，细菌虽然仍能感知温度变化，但一旦温度保持恒定，它们就会失去维持节律的能力。这表明计时机制本身就位于该信号通路之中。

研究还探讨了细菌是如何接收设定时钟的初始信号的。他们鉴定出了一个名为 BluFR 的独立系统，该系统既是蓝光的传感器，也是低温的传感器。该传感器将信息输入到 Rcs 传递路径中。研究人员发现，BluFR 系统可以追踪环境变化，但其本身并不能维持节律。相反，它充当了同步内部 Rcs 时钟的输入源。在一个引人注目的演示中，科学家展示了他们仅靠光就能重置细菌的时钟。通过让细菌暴露在蓝光和黑暗的循环中，他们可以诱导出同样的粘性物质产生节律，这证明了细菌可以使用光作为时间线索，正如它们使用温度一样。

最后，研究人员将细菌的计时系统结构与在光合细菌中发现的著名时钟进行了对比，后者是已知仅有的具有明确分子钟的细菌类型。尽管两者没有共同的遗传历史，但大肠杆菌计时系统中的蛋白质在三维形状上与光合作用时钟中的蛋白质非常相似。两个系统都使用一系列化学开关和结构域来处理信息并产生节律。这表明，自然界可能以不同的方式、使用相似的架构原理，为解决预判每日循环的问题而得出了相同的方案。

这一发现重塑了我们对细菌生命的理解。它表明，即使是像大肠杆菌这样简单的生物，也能学习日程、记住日程并提前行动。预判环境变化的能力很可能提供了生存优势，使细菌能够在挑战之日到来之前做好准备。通过识别负责这种计时功能的特定基因和蛋白质，研究人员为理解细菌如何协调其行为开启了一扇新的大门。这些知识最终可能帮助科学家预测细菌如何响应其环境，从而为在医学和工业领域管理细菌生长提供新的途径。这项研究证实，保持时间的能力是生物界一种基本且广泛存在的特征，其范围远超我们日常所见的复杂生物。