日本自然科学研究机构（NINS）分子科学研究所（IMS）的古池美彦助教、向山厚助教、秋山修志教授和欧阳东彦研究员、量子科学技术研究开发机构（QST）的松尾龙人主任研究员和藤原悟专业业务员、综合科学研究机构（CROSS）的富永大辉副主任研究员，以及日本原子力研究开发机构（JAEA）的川北至信主任研究员等组成的研究团队，利用中子观察了蓝藻时钟蛋白KaiC的运动，调查了生物的24小时周期不受温度影响保持一定的机理。由此成功发现，时钟蛋白分别利用原子和分子整体的运动特性实现了精密的计时系统。
图1：构成生物钟系统的时钟蛋白KaiC的功能与运动（供图：自然科学研究机构 分子科学研究所）
KaiC是一种酶，是保持24小时周期节律的生物钟系统（也称为生理时钟）的关键物质，KaiC消除了温度变化的影响，通过在生理温度范围内保持恒定的酶活性（ATP水解活性，ATPase）来使时钟的指针以稳定的速度运转。然而，此前几乎不了解KaiC是如何不受温度影响而保持恒定的ATPase活性的。
研究团队设计了温度补偿性受损的KaiC的氨基酸突变体（KaiC突变体），可用于与进行了温度补偿的野生型KaiC做比较。这些KaiC突变体包括周期节律随着温度上升而加速的类型（加速型），以及周期节律随着温度上升而减速的类型（减速型）。研究团队利用高强度质子加速器设施J-PARC物质和生命科学实验设施对这些温度敏感性较高的KaiC突变体进行了中子准弹性散射实验。
实验显示，将温度提高10℃，构成KaiC的氨基酸侧链的运动加快1.2倍。这个结果在通过置换氨基酸而失去温度补偿能力的KaiC温度依赖型突变体和KaiC以外的普通蛋白质中也得到证实。另外，关于KaiC在整体分子中的运动，仅在KaiC温度依赖型突变体中观察到了明显的减速。这些结果表明，为了不受昼夜温度影响，使生物钟的指针始终以恒定速度移动，KaiC会检测温度变化并改变分子整体的运动，对温度变化进行补偿。
掌管生命时间的生物钟会控制指针的移动速度（24小时周期）不受温度影响。此次的研究表明，时钟蛋白并不是完全不受温度影响，而是通过受影响来感知温度变化，并自主改变分子整体的运动来补偿温度变化。
秋山教授表示：“不受周围环境影响保持恒定状态的机理还存在于生命科学领域的稳态（体温和血糖等）和工学领域的恒值（补偿）控制（空调和飞机姿态控制）等现象中，但此次的发现令人惊讶的是，在仅仅10纳米的小分子中也存在该现象。如果能将观察范围扩大到其他生物种的时钟蛋白中，以确认普遍性，或许能以此为基础，设计出以蛋白分子为材料的超微恒值控制器件。期待今后能开发出处理更少量和更低浓度样本的技术，构筑可以利用更高亮度中子射线的研究环境。”
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Communications Physics
论文：Cross-scale analysis of temperature compensation in the cyanobacterial circadian clock system
DOI：10.1038/s42005-022-00852-z
