Intrinsic timekeeping in Escherichia coli

Auteurs : A. A. Crofts, A. Bates, J. S. Takahashi, L. V. Hooper

bioRxiv preprint
DOI: 10.64898/2026.11.03.761655 - DOI (bioRxiv: Microbiology)
Publié le 04 Nov. 2026
Licence : CC BY 4.0
Résumé scientifique

Circadian clocks allow organisms to anticipate predictable environmental changes across the day-night cycle. Here we show that the bacterium Escherichia coli exhibits intrinsic timekeeping that anticipates daily temperature cycles. E. coli biofilms entrained to daily temperature shifts, producing 24-hour rhythms in curli plaque formation that persisted under constant temperature. Mechanistically, genetic analyses localized the autonomous timing machinery to the Rcs phosphorelay, which exhibits structural and conceptual parallels with other circadian systems. The BluFR sensory pathway, which acts upstream of the Rcs phosphorelay, linked temperature and blue-light cycles to rhythmic curli production. Flagellar promoter activity and curli production peaked at opposite times of day, suggesting daily coordination of adhesion and motility programs. These findings identify an intrinsic timing system in E. coli that expands our understanding of biological timekeeping.

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Les articles les plus proches

  1. Très proche Contexte plus large Cité par cet article
    The circadian clock of the bacterium B. subtilis evokes properties of complex, multicellular circadian systems
    Francesca Sartor, Xin-Ming Xu, T. Popp et al. · 2023 · Science Advances · cité 26 fois · Pas encore résumé

    Cette étude caractérise chez Bacillus subtilis l’entraînement par lumière bleue et rouge et des rythmes persistants, comme l’article examine l’horloge bactérienne chez E. coli.

    Résumé scientifique

    Circadian clocks are pervasive throughout nature, yet only recently has this adaptive regulatory program been described in nonphotosynthetic bacteria. Here, we describe an inherent complexity in the Bacillus subtilis circadian clock. We find that B. subtilis entrains to blue and red light and that circadian entrainment is separable from masking through fluence titration and frequency demultiplication protocols. We identify circadian rhythmicity in constant light, consistent with the Aschoff’s rule, and entrainment aftereffects, both of which are properties described for eukaryotic circadian clocks. We report that circadian rhythms occur in wild isolates of this prokaryote, thus establishing …

  2. Proche Base de cet article Cité par cet article Utilisé en profondeur par cet article
    Structure, function, and mechanism of the core circadian clock in cyanobacteria
    J. Swan, S. Golden, A. LiWang et al. · 2018 · Journal of Biological Chemistry · cité 84 fois · Pas encore résumé

    Cette étude décrit l’oscillateur KaiABC des cyanobactéries et ses fonctions de synchronisation, un modèle de mécanismes circadiens prokaryotes.

    Résumé scientifique

    Circadian rhythms enable cells and organisms to coordinate their physiology with the cyclic environmental changes that come as a result of Earth's light/dark cycles. Cyanobacteria make use of a post-translational oscillator to maintain circadian rhythms, and this elegant system has become an important model for circadian timekeeping mechanisms. Composed of three proteins, the KaiABC system undergoes an oscillatory biochemical cycle that provides timing cues to achieve a 24-h molecular clock. Together with the input/output proteins SasA, CikA, and RpaA, these six gene products account for the timekeeping, entrainment, and output signaling functions in cyanobacterial circadian rhythms. This Mi…

  3. Proche Même question Cité par cet article
    Entrainment of the Circadian Clock of the Enteric Bacterium Klebsiella aerogenes by Temperature Cycles
    J. Paulose, Charles V. Cassone, Kinga B. Graniczkowska et al. · 2019 · iScience · cité 47 fois · Pas encore résumé

    Cette étude teste l’entraînement par cycles thermiques du rythme circadien de Klebsiella aerogenes, comme l’article étudie l’anticipation de cycles de température chez E. coli.

    Résumé scientifique

    Summary The gastrointestinal bacterium Klebsiella (née Enterobacter) aerogenes expresses an endogenously generated, temperature-compensated circadian rhythm in swarming motility. We hypothesized that this rhythm may be synchronized/entrained in vivo by body temperature (TB). To determine entrainment, cultures expressing bioluminescence were exposed to temperature cycles of 1°C (35°C–36°C) or 3°C (34°C–37°C) in amplitude at periods (T-cycles) of T = 22, T = 24, or T = 28 h. Bacteria entrained to all T-cycles at both amplitudes and with stable phase relationships. A high-amplitude phase response curve (PRC) in response to 1-h pulses of 3°C temperature spike (34°C–37°C) at different circadian p…

  4. Proche Même méthode, autre problème Cité par cet article
    Transplantability of a circadian clock to a noncircadian organism
    Anna H. Chen, David Lubkowicz, Vivian Yeong et al. · 2015 · Science Advances · cité 34 fois · Pas encore résumé

    Cette étude reconstruit dans E. coli l’oscillateur KaiABC des cyanobactéries et mesure ses oscillations, tandis que l’article étudie son système endogène.

    Résumé scientifique

    Researchers have reconstructed a circadian clock that can function by itself in a living, non-circadian bacteria. Circadian oscillators are posttranslationally regulated and affect gene expression in autotrophic cyanobacteria. Oscillations are controlled by phosphorylation of the KaiC protein, which is modulated by the KaiA and KaiB proteins. However, it remains unclear how time information is transmitted to transcriptional output. We show reconstruction of the KaiABC oscillator in the noncircadian bacterium Escherichia coli. This orthogonal system shows circadian oscillations in KaiC phosphorylation and in a synthetic transcriptional reporter. Coexpression of KaiABC with additional native c…

  5. Proche Article de revue
    Rhythmic Timekeeping in Rice: Emerging Mechanisms and Regulatory Networks.
    Samantha J. Cordingley, Dawn H. Nagel · 2026 · Plant and Cell Physiology · Pas encore résumé

    Cette mini-revue synthétise les mécanismes et fonctions de l’horloge circadienne du riz, plutôt que le chronométrage bactérien étudié ici.

    Résumé scientifique

    The circadian clock is an endogenous time-keeping mechanism found in most eukaryotes that integrates external signals to synchronize biological processes with the environment. Circadian and diel rhythms across multiple regulatory layers help coordinate gene expression underlying plant processes such as metabolism, stress responses, and agronomic traits. In the context of a changing environment, a comprehensive understanding of how circadian-mediated regulatory mechanisms can contribute to plant resilient strategies continues to be a priority. In this mini review, we highlight the pleiotropic functions of the rice circadian clock in coordinating diverse processes.

  6. Proche Même question Cité par cet article Utilisé en profondeur par cet article
    The critical human pathogen Acinetobacter baumannii exhibits light-regulated circadian rhythms
    Valentín Permingeat, Bárbara Edith Perez Mora, M. Migliori et al. · 2025 · Communications Biology · cité 4 fois · Pas encore résumé

    Cette étude recherche des rythmes circadiens endogènes et leur régulation lumineuse chez Acinetobacter baumannii, comme l’article chez E. coli.

    Résumé scientifique

    Acinetobacter baumannii is recognized as the paradigm of multidrug-resistant superbug, topping the WHO priority list of critical human pathogens. Interestingly, it senses and responds to blue light, which modulates global aspects of its physiology, including pathogenicity. We hypothesized that light could serve as a signal to synchronize the bacterial physiology to the host’s behavior and/or to the environment. At environmental temperatures, light regulation is mainly governed by the photoreceptor BlsA. In this work, we identified the existence of daily rhythms in blsA promoter activity displaying a robust response to light, as well as endogenous circadian rhythms in A. baumannii. In fact, w…

  7. Proche Base de cet article
    From phenomenon to mechanism in the circadian clock of Synechococcus elongatus
    Susan S. Golden · 2026 · npj Biological Timing and Sleep · Pas encore résumé

    Cette étude explique le mécanisme KaiABC de l’horloge de Synechococcus elongatus, un exemple de système circadien bactérien.

    Résumé scientifique

    Creative and collaborative research in the early 21st century revealed the mechanistic secrets of the cyanobacterial circadian clock, a nanomachine whose function can be studied in vitro. The structural dynamics of the Synechococcus elongatus circadian oscillator, comprising KaiA, KaiB, and KaiC, establish a near 24 h cycle of activity of the global transcription regulator RpaA by rhythmically changing the interaction platform of kinases that control RpaA phosphorylation.

  8. Proche Même méthode, autre problème Cité par cet article
    Endogenous clock-mediated regulation of intracellular oxygen dynamics is essential for diazotrophic growth of unicellular cyanobacteria
    A. Bandyopadhyay, Annesha Sengupta, T. Elvitigala et al. · 2024 · Nature Communications · cité 16 fois · Pas encore résumé

    Cette étude supprime kaiA chez Cyanothece pour relier l’horloge circadienne aux rythmes physiologiques, tandis que l’article analyse génétiquement le système Rcs.

    Résumé scientifique

    The discovery of nitrogen fixation in unicellular cyanobacteria provided the first clues for the existence of a circadian clock in prokaryotes. However, recalcitrance to genetic manipulation barred their use as model systems for deciphering the clock function. Here, we explore the circadian clock in the now genetically amenable Cyanothece 51142, a unicellular, nitrogen-fixing cyanobacterium. Unlike non-diazotrophic clock models, Cyanothece 51142 exhibits conspicuous self-sustained rhythms in various discernable phenotypes, offering a platform to directly study the effects of the clock on the physiology of an organism. Deletion of kaiA, an essential clock component in the cyanobacterial syste…

Les travaux antérieurs sur lesquels il s’appuie

  1. Apparenté Article de revue Utilisé en profondeur par cet article
    Physiology of circadian entrainment.
    D. Golombek, R. Rosenstein · 2010 · Physiological Reviews · cité 1 057 fois · Pas encore résumé

    Cette revue expose les mécanismes physiologiques de synchronisation lumineuse des rythmes circadiens des mammifères.

    Résumé scientifique

    Mammalian circadian rhythms are controlled by endogenous biological oscillators, including a master clock located in the hypothalamic suprachiasmatic nuclei (SCN). Since the period of this oscillation is of approximately 24 h, to keep synchrony with the environment, circadian rhythms need to be entrained daily by means of Zeitgeber ("time giver") signals, such as the light-dark cycle. Recent advances in the neurophysiology and molecular biology of circadian rhythmicity allow a better understanding of synchronization. In this review we cover several aspects of the mechanisms for photic entrainment of mammalian circadian rhythms, including retinal sensitivity to light by means of novel photopi…

  2. Proche Contexte plus large
    PAS dimerization at the nexus of the mammalian circadian clock
    Diksha Sharma, C. Partch · 2023 · Journal of Molecular Biology · cité 19 fois · Pas encore résumé

    Cette étude examine la dimérisation de protéines PAS dans l’horloge circadienne des mammifères, un autre mécanisme de chronométrage biologique.

    Résumé scientifique

    Circadian rhythms are genetically encoded molecular clocks for internal biological timekeeping. Organisms from single-cell bacteria to humans use these clocks to adapt to the external environment and synchronize their physiology and behavior to solar light/dark cycles. Although the proteins that constitute the molecular ‘cogs’ and give rise to circadian rhythms are now known, we still lack a detailed understanding of how these proteins interact to generate and sustain the ~24-hour circadian clock. Structural studies have helped to expand the architecture of clock proteins and have revealed the abundance of the only well-defined structured regions in the mammalian clock called Per-ARNT-Sim (P…

  3. Proche Contexte plus large
    Temperature as a universal resetting cue for mammalian circadian oscillators
    Ethan D. Buhr, Seung-Hee Yoo, J. Takahashi · 2010 · Science · cité 885 fois · Pas encore résumé

    Cette étude montre que les cycles thermiques peuvent réinitialiser les horloges de tissus périphériques chez la souris, comme les cycles de température synchronisent E. coli.

    Résumé scientifique

    Time and Temperature Daily cycles in environmental temperature are an important cue for many organisms to synchronize their endogenous circadian clock. However, mammals do not respond to this cue. Studying mouse tissue, Buhr et al. (p. 379; see the Perspective by Edery) find that this resistance to temperature is a feature specific to the suprachiasmatic nucleus (SCN), a region of the mammalian brain that functions as the body's master clock. In contrast, the clocks in peripheral tissues (for example, lung, liver) are fully capable of resetting in response to temperature changes and do so by a mechanism involving the heat shock pathway. The SCN drives daily rhythms in body temperature, and S…

  4. Proche* Base de cet article
    CikA, a bacteriophytochrome that resets the cyanobacterial circadian clock.
    O. Schmitz, Mitsunori Katayama, S. Williams et al. · 2000 · Science · cité 291 fois · Pas encore résumé

    Cette étude porte sur CikA, protéine cyanobactérienne qui réinitialise l’horloge circadienne, et fournit un exemple de signalisation de synchronisation.

  5. Apparenté* Base de cet article
    Expression of a gene cluster kaiABC as a circadian feedback process in cyanobacteria.
    M. Ishiura, Shinsuke Kutsuna, S. Aoki et al. · 1998 · Science · cité 808 fois · Pas encore résumé

    Cette étude décrit l’expression de kaiABC comme processus de rétroaction circadienne chez les cyanobactéries, un modèle d’horloge bactérienne.

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Mis à jour le 9 novembre 2026.