日本自然科學研究機構（NINS）分子科學研究所（IMS）的古池美彥助教、向山厚助教、秋山修志教授和歐陽東彥研究員、量子科學技術研究開發機構（QST）的松尾龍人主任研究員和藤原悟專業業務員、綜合科學研究機構（CROSS）的富永大輝副主任研究員，以及日本原子力研究開發機構（JAEA）的川北至信主任研究員等組成的研究團隊，利用中介子觀察了藍藻時脈蛋白KaiC的運動，調查了生物的24小時週期不受溫度影響保持一定的機制。由此成功發現，時脈蛋白分別利用原子和分子整體的運動特性實施了精密的定年系統。
圖1：構成生物鐘系統的時脈蛋白KaiC的功能與運動（供圖：自然科學研究機構 分子科學研究所）
KaiC是一種酶，是保持24小時週期節律的生物鐘系統（也稱爲生理時脈）的關鍵物質，KaiC消除了溫度變化的影響，透過在生理溫度範圍内保持恆定的酶活性（ATP水解活性，ATPase）來使時脈的指標以穩定的速度運轉。然而，此前幾乎不瞭解KaiC是如何不受溫度影響而保持恆定的ATPase活性的。
研究團隊設計了溫度補償性受損的KaiC的氨基酸突變體（KaiC突變體），可用於與進行了溫度補償的野生型KaiC做比較。這些KaiC突變體包括週期節律隨着溫度擧升而加速的類型（加速型），以及週期節律隨着溫度擧升而減速的類型（減速型）。研究團隊利用高強度質子加速器設施J-PARC物質和生命科學實驗設施對這些溫度敏感性較高的KaiC突變體進行了中介子準彈性散射實驗。
實驗顯示，將溫度提高10℃，構成KaiC的氨基酸側鏈的運動加快1.2倍。這個結果在透過置換氨基酸而失去溫度補償能力的KaiC溫度依賴型突變體和KaiC以外的普通蛋白質中也得到證實。另外，關於KaiC在整體分子中的運動，僅在KaiC溫度依賴型突變體中觀察到了明顯的減速。這些結果表明，爲了不受晝夜溫度影響，使生物鐘的指標始終以恆定速度行程，KaiC會檢測溫度變化並改變分子整體的運動，對溫度變化進行補償。
掌管生命時間的生物鐘會控制指標的行程速度（24小時週期）不受溫度影響。此次的研究表明，時脈蛋白並不是完全不受溫度影響，而是透過受影響來感知溫度變化，並自主改變分子整體的運動來補償溫度變化。
秋山教授表示：「不受週遭環境影響保持恆定狀態的機制還存在於生命科學領域的穩定狀態（體溫和血糖等）和工學領域的恆值（補償）控制（空調和飛機姿態控制）等現象中，但此次的發現令人驚訝的是，在僅僅10奈米的小分子中也存在該現象。如果能將觀察範圍擴大到其他生物種的時脈蛋白中，以應答普世感，或許能以此爲基礎，設計出以蛋白分子爲材料的超微恆值控制器件。期待今後能開發出處理更少量和更低濃度樣本的技術，構築可以利用更高輝度中介子射線的研究環境。」
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Communications Physics
論文：Cross-scale analysis of temperature compensation in the cyanobacterial circadian clock system
DOI：10.1038/s42005-022-00852-z
