数学家揭示了维持生物节律的机制

我们的身体有各种生物钟，它们遵循节奏或振荡，时间从几秒到几天不等。例如，我们的心跳每秒钟，细胞周期性地分裂。位于下丘脑的生物钟产生二十四小时的节律，计时我们的睡眠和激素释放。这些生物钟或电路如何产生和维持对生命至关重要的稳定节奏?

JaA Kyoung Kim是KAIST数学科学系的助理教授，他利用基于微分方程和随机参数抽样的数学建模预测了这些生物电路如何产生节律并控制其稳健性。基于他的预测，使用合成生物学，莱斯大学的Matthew Bennett领导的一个研究小组构建了一个新的生物循环，跨越两个基因工程细菌菌株，一个作为激活剂，另一个作为阻遏物来调节多个基因的表达。细胞类型，并发现该电路在各种条件下产生令人惊讶的强劲节奏。

与KAIST(韩国科学技术研究所)，莱斯大学和休斯顿大学合作进行的研究结果发表在“科学”杂志上(2015年8月28日刊)。

自上而下的研究方法，侧重于识别生物电路的组成部分，限制了我们对电路产生节律的机制的理解。然而，合成生物学是生物科学和工程界面中快速发展的领域，采用自下而上的方法。

合成生物学家可以用更简单的组件创建复杂的电路，这些新的遗传电路中的一些能够波动以调节基因产生。与电气工程师了解电路如何构建电池，电阻器和电线的方式相同，合成生物学家如果使用基因和蛋白质将它们组合在一起，就可以更好地理解生物电路。然而，由于生物系统的复杂性，需要同时应用实验和数学建模来设计这些生物电路并理解它们的功能。

在这项研究中，一种跨学科的方法证明合成的细胞间单一电路产生强大的节律，以创建一个合作的微生物系统。具体而言，Kim的数学分析表明，并且实验证实，除了核心转录负反馈环之外，负反馈环的存在可以解释该系统中节律的稳健性。该结果为生物系统中稳健节律生成的基本机制提供了重要线索。

此外，不是在单个细菌菌株内构建整个回路，而是将该回路分成两株大肠杆菌菌株。当菌株一起生长时，细菌交换信息，完成回路。因此，该研究还表明，通过调节系统内的单个细胞，可以控制复杂的生物系统，这反过来又相互影响(例如，人类的肠道微生物组)。

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