打破传统！科学家破解细菌信号传递极限

3月27日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室金帆团队与医学成像科学与技术系统全国重点实验室储军团队合作，在《自然—物理》发表最新研究：首次揭示细菌信号分子cAMP(环磷酸腺苷)的极限通信能力，破解了生命系统从蛋白质功能到系统功能涌现的机制。这项成果标志着我国在人工生命系统理性设计领域迈出关键一步。

据介绍，该成果是深圳先进院牵头新建两个全国重点实验室的首个合作成果，团队聚焦世界科技前沿，通过跨学科合作实现科学研究与技术创新的双重突破，彰显了国家战略科技力量的建制化优势。

打破传统，以工程思维破解生命信息传递极限

当前，人工合成单细胞生命仍是世界级难题。生命系统是一个高度复杂、精密调控的动态系统，即使是最简单的单细胞生物，其基因组中也包含了数百个基因，这些基因通过复杂的调控网络以维持细胞的基本生存。

细菌作为单细胞生物，其内部就像一个工厂，需要根据外部环境的变化以调整自己的生产计划，而信号分子cAMP就像“翻译官”，能够将外部复杂的信息传递并翻译成细菌能够理解的语言。

“在工程领域,我们常常关注系统的极限性能。比如,一条光纤能传输多少数据,或一个无线网络能支持多少用户。这同样适用于生命科学研究：2020年起，我们提出了一个关键问题，即细菌内部的cAMP系统最多能以多快的速度传递信息?这就像是在测试细菌内部‘通信网络’的带宽。这对理解细菌如何应对复杂多变的环境,为人为构建高效的生命信息传递系统具有重要意义。”论文共同通讯作者、定量合成生物学全国重点实验室研究员金帆表示。

在该研究中，研究团队采用合成生物学的工程化手段，通过基因编辑技术敲除铜绿假单胞菌中3个关键基因，构建出信号传递“纯净”的简化系统。团队创新性地引入光遗传控制模块bPAC和高灵敏度探针PF2，在光的波长上实现对信号“写入”和“读出”的解耦。从而首次实现在活菌内对信道容量大小的绝对定量。

在此过程中，由储军团队开发的PF2探针是一种特别设计的蛋白质，由cAMP结合蛋白和红色荧光蛋白构成，具有高灵敏度和特异性，能够捕捉对cAMP信号分子的微小变化，为解开细菌内部信号传递的神秘面纱提供了重要工具。

单细菌内pf2探针荧光强度随着输入刺激的周期性变化。研究团队供图

定量解码，揭示生命信息传输最优规律

在单细胞生物中，信息的传递就像一场精密的“分子对话”，有着自己独特的“信息处理策略”。在该研究中，科研人员发现cAMP信号类似于电子工程中的信号过滤器，其信号传递呈现出显著的低通滤波特性，即cAMP信号系统会过滤环境中短暂、高频的干扰(如快速的培养环境的变化，碳源的快速切换)，只对持续的低频信号(如培养环境逐渐变化)做出反应。

研究团队通过建立信息论数学模型，首次在细菌内绝对定量了信号通道的极限传输速率为每小时40比特，相当于在单个细胞周期内精准调控数十个基因的表达。这一发现揭示了微生物适应复杂环境的"最优频率编码"策略，并为生命系统的定量解析建立了"分子动态-信息传递-功能输出"三位一体的理论框架。

金帆指出：“这项成果验证了定量合成生物学研究范式的革命性潜力。我们不仅发现了生命体内存在的‘最优信息传输频率和编码规则’，并得出了量化这些规律的数学公式，更重要的是建立了人工生命系统功能模块的数学设计标准。”

信道的工程简化重构以及信息传输的最优频率。研究团队供图

在此次研究中，金帆团队还展示了一项绝对定量技术——可精确到单细胞水平的生物信息通道容量测量技术。目前，该技术已应用于定量合成生物学全国重点实验室正在攻关的人工合成细胞膜-基因调控耦合系统，显著提升了基因回路的功能预测精度。

国际同行高度评价该研究的开创性价值。东京大学教授Shinya Kuroda认为：“这项工作不仅揭示了细菌适应机制，其建立的定量框架可推广至任何生化反应系统，将深刻影响合成生物学、生物医药等多个领域的技术革新。”

学科交叉助力成果产出

“2021年，我们偶然了解到金帆团队实验室的研究方向和我们的研究方向有很大的互补性与合作空间。通过双方联合组会交流讨论，发现当时我们正在研发中的红色cAMP探针可以为金老师的研究进行‘个性化定制’，由此我们达成了‘以工程思维探究生命科学问题’的一致思路。”论文共同通讯作者、医学成像科学与技术系统全国重点实验室研究员储军说道，这种打破传统生物学研究范式的工程策略，为定量解析生命系统信息流提供了精准实验平台。

储军介绍，团队开发的探针主要应用于神经科学领域，同时在生命科学研究其他领域也都具有广阔的应用场景。“医学成像科学与技术系统全国重点实验室构建了全新的功能成像数理理论体系，提供了融合声光电磁的超分辨-多模态功能成像研发平台。通过蛋白质工程平台、生化平台和活细胞光学成像平台，使得探针筛选、表征和光学成像能够在同一个实验室顺利完成。”储军表示。

目前，定量合成生物学全国重点实验室依托深圳合成生物研究重大科技基础设施，构建了"定量解析-理性设计-自动构建"全链条创新体系。该平台可以高通量且自动化的完成从“菌株设计、构建、测试、学习”的工程闭环，极大地加速了合成生物底盘菌株的设计、构建和筛选过程，为理论突破及学科交叉合作提供了支撑和保障。

研究团队表示：“全国重点实验室激励科研人员进行最前沿的研究，在技术上进行大胆创新和突破，同时也鼓励团队间开展更多的学科交叉合作。”该研究充分体现了定量合成生物学全国重点实验室“造物致知”的核心理念，更是深圳先进院基于两个全国重点实验室，以跨学科合作推动科技创新的生动实践。