13、蓝藻生物钟蛋白KaiC的振荡与输入补偿机制解析

蓝藻生物钟蛋白KaiC的振荡与输入补偿机制解析

1. 蓝藻振荡器作为生物钟学的生化模型

Takao Kondo团队重新构建出KaiABC振荡器，这是理解昼夜节律机制的一个里程碑事件。一个能产生稳定昼夜节律振荡的明确生化系统的出现，让我们得以运用分子遗传学、生物化学和生物物理学的工具，去揭示Kai蛋白24小时节律的分子基础。目前，多个研究小组都在积极开展相关研究，并已取得显著成果。

Kai系统的潜力不仅在于纯化蛋白能产生缓慢的时间尺度，进一步研究发现，KaiABC系统能够对生理相关输入做出反应，在保持振荡周期几乎不变的情况下实现有效同步。这一特性是昼夜生理的标志，温度补偿就是一个典型例子。在生物生态相关的温度范围内，昼夜节律钟的振荡周期通常仅微弱依赖于温度。从目的论角度看，由于一天的时长始终为24小时，时钟在冬季和夏季不应有明显的快慢差异。然而，矛盾的是，温度变化通常能作为昼夜节律钟的有效同步信号，导致较大的相位偏移。因此，需要解释的并非时钟对温度的免疫性，而是温度与振荡器的耦合方式如何保持周期不变。

这里将这种在温度之外的外部变化下出现的普遍现象称为“输入补偿”。接下来，我们先回顾Kai蛋白的基本生化特性，再探讨KaiABC振荡器表现出输入补偿特性的实验证据，重点关注ATP/ADP比率和温度的变化。我们将借助动力系统理论中的相平面工具，展示实现输入补偿的一种途径。最后，构建一个Kai振荡器的数学模型，在某些生化假设下，它与一个带有正反馈环向系统输入能量的谐波振荡器存在形式上的类比。该模型的结构自然地将周期依赖性置于KaiC的内部催化速率中，并为深入理解该系统的生化实验提供了思路。

2. 蓝藻振荡器的现象学

纯化的KaiA、KaiB和Ka