昼夜代谢理论

许多生物以其蛋白质组以昼夜方式重新分配，以响应环境中每日的营养变化。蓝细菌提供了一个显著的例子，它们在白天进行光合作用以固定碳。这些生物不仅面临每 12 小时重连其蛋白质组的挑战，还必须在夜间以糖原形式储存所固定的碳以为过程提供燃料。在本手稿中，我们将 Hwa 及其合作者（Scott 等，Science 330, 1099 (2010)）开发的用于量化生长与蛋白质组组成之间关系的框架推广至昼夜代谢。我们随后应用该框架研究蓝细菌 Cyanothece 的昼夜代谢，该菌不仅在白天固定碳，还在夜间固定氮，并以聚合物蓝藻素形式储存。我们的分析揭示，储存碳和氮的需求倾向于产生一种极端的生长策略，即细胞主要在白天生长，正如实验所观察到的。该策略使 24 小时内的生长速率最大化，并可由细菌生长定律定量理解。我们的分析还表明，由缓慢生长速率引起的蛋白质组慢弛豫，对实施该最优策略施加了严重约束。然而，由昼夜钟所赋能的估算时刻的能力，使得有可能预期环境中的每日变化并提前作出响应。这通过抵消蛋白质组慢弛豫的有害效应显著提升了生长速率。