日前，中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室研究員金帆團隊與醫學成像科學與技術系統全國重點實驗室研究員儲軍團隊合作，首次揭示了細菌信號分子環磷酸腺苷（cAMP）的極限通信能力。這標志著我國在人工生命系統理性設計領域邁出了關鍵一步。相關研究成果發表在國際學術期刊《自然·物理》上。
信息傳遞極限能力未知
早在20世紀初，科學家們就已證實，包括腺細胞在內的各類細胞均具備合成并釋放細胞外小分子信息物質的能力。這些物質通過血液、淋巴液等體液進行傳輸，進而實現體液調節和生命信息的傳遞，堪稱人體信息傳遞的“第一信使”。然而，這些“第一信使”并不直接參與細胞的物質與能量代謝過程。相反，它們通過將信息傳遞給被稱為“第二信使”的物質，間接調控細胞的生理活動和新陳代謝。
在生命信息傳遞的鏈條中，信號分子cAMP扮演著“第二信使”的關鍵角色，是一種不可或缺的生命調節物質。它廣泛存在于動植物的各種細胞以及微生物體內。盡管含量微小，卻發揮著舉足輕重的作用。在細胞內部，信號分子cAMP參與調節物質的代謝和生物學功能。當體內多種激素作用于細胞時，會促使細胞生成信號分子cAMP，進而對細胞的生理活動和物質代謝進行調控。
若將細胞比作一座精密的工廠，它需要根據外部環境的變化靈活調整自己的“生產計劃”。在這一過程中，信號分子cAMP則扮演著至關重要的“翻譯官”角色。它能夠將外部復雜多變的信息精準地傳遞并轉換為細胞能夠理解的“語言”。
然而，如何以定量的方法深入探究這些信號分子在信息傳遞過程中的極限能力，仍是科學界亟待解決的一個重要問題。
以工程思維破解難題
“在工程領域，我們常常關注系統的極限性能。比如，一條光纖能傳輸多少數據，或一個無線網絡能支持多少用戶同時在線。這一思維模式同樣適用于生命科學研究。”論文共同通訊作者金帆介紹。
2020年，研究團隊提出了一個關鍵問題：細胞內部的信號分子cAMP究竟能以多快的速度傳遞信息？這就像是在測試細胞內部通信網絡的“帶寬極限”。這一問題的答案，對于深入理解細胞如何應對復雜多變的環境，以及未來構建高效的生命信息傳遞系統都具有重要意義。
為了解答這一問題，研究團隊采用合成生物學的工程化手段，通過基因編輯技術敲除銅綠假單胞菌中3個關鍵基因，從而構建出一個信號傳遞的簡化系統。在此基礎上，團隊創新性地引入光遺傳控制模塊bPAC和高靈敏度探針PF2。這兩個工具在激發波長上存在差異，可以實現在光波長維度上對信號“寫入”和“讀出”的解耦。這些創新操作將原本錯綜復雜的“蝴蝶結”結構生物網絡，成功簡化為一個可精確操控輸入并檢測輸出的簡單信號通道，進而首次實現了對活菌內信道容量大小的絕對定量測量。
在研究過程中，儲軍團隊研發出了一款高性能的紅色cAMP熒光探針PF2。這款探針具有極高的特異性，其熒光變化能夠精準地反映信號分子cAMP濃度的動態變化。同時，PF2探針還具備超高的靈敏度，能夠捕捉到信號分子cAMP的微小波動，為揭開細胞內部信號傳遞的神秘面紗提供了強有力的工具。論文共同通訊作者儲軍介紹，團隊開發的探針主要應用于神經科學領域，但其在生命科學研究的其他領域同樣具有廣泛的應用前景。
“2021年，我們偶然了解到金帆實驗室的研究方向與我們的研究方向具有高度的互補性，且存在廣闊的合作空間。雙方通過聯合組會的形式進行了深入的交流與討論，發現我們正在研發的熒光探針可以根據金帆團隊的研究需求進行個性化定制。基于這一共識，我們達成了以工程思維探究生命科學問題的合作思路。”儲軍介紹，這種打破傳統生物學研究范式的工程策略，為定量解析生命系統信息流提供了新方法。
揭示最優頻率編碼策略
在細胞中，信息的傳遞就像一場精密的“分子對話”。在該研究中，科研人員發現信號分子cAMP類似于電子工程中的信號過濾器，其信號傳遞呈現出顯著的低通濾波特性，即信號分子cAMP會過濾環境中短暫、高頻的干擾，只對持續的低頻信號做出反應。
研究團隊通過建立信息論數學模型，首次在細菌內實現了對信號通道極限傳輸速率的絕對定量測量，結果顯示其速率為每小時40比特。這一速率足以在單個細胞周期內精準調控數十個基因的表達。這一發現揭示了微生物適應復雜環境的最優頻率編碼策略，并為生命系統的定量解析建立了“分子動態—信息傳遞—功能輸出”三位一體的理論框架。
金帆表示：“這項成果充分驗證了定量合成生物學研究范式的巨大潛力。我們不僅發現了生命體內存在的最優信息傳輸頻率和編碼規則，還得出量化這些規律的數學公式。更為重要的是，我們建立了人工生命系統功能模塊的數學設計標準。”
在此次研究中，金帆團隊還展示了一項絕對定量技術——可精確到單細胞水平的生物信息通道容量測量技術。目前，該技術已應用于定量合成生物學全國重點實驗室正在攻關的人工合成細胞膜—基因調控耦合系統，顯著提升了基因回路的功能預測精度。
東京大學教授黑田真也認為：“這項工作不僅揭示了細胞適應機制，其建立的定量框架可推廣至任何生化反應系統，將深刻影響合成生物學、生物醫藥等多個領域的技術革新。”
日前，中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室研究員金帆團隊與醫學成像科學與技術系統全國重點實驗室研究員儲軍團隊合作，首次揭示了細菌信號分子環磷酸腺苷（cAMP）的極限通信能力。這標志著我國在人工生命系統理性設計領域邁出了關鍵一步。相關研究成果發表在國際學術期刊《自然·物理》上。
信息傳遞極限能力未知
早在20世紀初，科學家們就已證實，包括腺細胞在內的各類細胞均具備合成并釋放細胞外小分子信息物質的能力。這些物質通過血液、淋巴液等體液進行傳輸，進而實現體液調節和生命信息的傳遞，堪稱人體信息傳遞的“第一信使”。然而，這些“第一信使”并不直接參與細胞的物質與能量代謝過程。相反，它們通過將信息傳遞給被稱為“第二信使”的物質，間接調控細胞的生理活動和新陳代謝。
在生命信息傳遞的鏈條中，信號分子cAMP扮演著“第二信使”的關鍵角色，是一種不可或缺的生命調節物質。它廣泛存在于動植物的各種細胞以及微生物體內。盡管含量微小，卻發揮著舉足輕重的作用。在細胞內部，信號分子cAMP參與調節物質的代謝和生物學功能。當體內多種激素作用于細胞時，會促使細胞生成信號分子cAMP，進而對細胞的生理活動和物質代謝進行調控。
若將細胞比作一座精密的工廠，它需要根據外部環境的變化靈活調整自己的“生產計劃”。在這一過程中，信號分子cAMP則扮演著至關重要的“翻譯官”角色。它能夠將外部復雜多變的信息精準地傳遞并轉換為細胞能夠理解的“語言”。
然而，如何以定量的方法深入探究這些信號分子在信息傳遞過程中的極限能力，仍是科學界亟待解決的一個重要問題。
以工程思維破解難題
“在工程領域，我們常常關注系統的極限性能。比如，一條光纖能傳輸多少數據，或一個無線網絡能支持多少用戶同時在線。這一思維模式同樣適用于生命科學研究。”論文共同通訊作者金帆介紹。
2020年，研究團隊提出了一個關鍵問題：細胞內部的信號分子cAMP究竟能以多快的速度傳遞信息？這就像是在測試細胞內部通信網絡的“帶寬極限”。這一問題的答案，對于深入理解細胞如何應對復雜多變的環境，以及未來構建高效的生命信息傳遞系統都具有重要意義。
為了解答這一問題，研究團隊采用合成生物學的工程化手段，通過基因編輯技術敲除銅綠假單胞菌中3個關鍵基因，從而構建出一個信號傳遞的簡化系統。在此基礎上，團隊創新性地引入光遺傳控制模塊bPAC和高靈敏度探針PF2。這兩個工具在激發波長上存在差異，可以實現在光波長維度上對信號“寫入”和“讀出”的解耦。這些創新操作將原本錯綜復雜的“蝴蝶結”結構生物網絡，成功簡化為一個可精確操控輸入并檢測輸出的簡單信號通道，進而首次實現了對活菌內信道容量大小的絕對定量測量。
在研究過程中，儲軍團隊研發出了一款高性能的紅色cAMP熒光探針PF2。這款探針具有極高的特異性，其熒光變化能夠精準地反映信號分子cAMP濃度的動態變化。同時，PF2探針還具備超高的靈敏度，能夠捕捉到信號分子cAMP的微小波動，為揭開細胞內部信號傳遞的神秘面紗提供了強有力的工具。論文共同通訊作者儲軍介紹，團隊開發的探針主要應用于神經科學領域，但其在生命科學研究的其他領域同樣具有廣泛的應用前景。
“2021年，我們偶然了解到金帆實驗室的研究方向與我們的研究方向具有高度的互補性，且存在廣闊的合作空間。雙方通過聯合組會的形式進行了深入的交流與討論，發現我們正在研發的熒光探針可以根據金帆團隊的研究需求進行個性化定制。基于這一共識，我們達成了以工程思維探究生命科學問題的合作思路。”儲軍介紹，這種打破傳統生物學研究范式的工程策略，為定量解析生命系統信息流提供了新方法。
揭示最優頻率編碼策略
在細胞中，信息的傳遞就像一場精密的“分子對話”。在該研究中，科研人員發現信號分子cAMP類似于電子工程中的信號過濾器，其信號傳遞呈現出顯著的低通濾波特性，即信號分子cAMP會過濾環境中短暫、高頻的干擾，只對持續的低頻信號做出反應。
研究團隊通過建立信息論數學模型，首次在細菌內實現了對信號通道極限傳輸速率的絕對定量測量，結果顯示其速率為每小時40比特。這一速率足以在單個細胞周期內精準調控數十個基因的表達。這一發現揭示了微生物適應復雜環境的最優頻率編碼策略，并為生命系統的定量解析建立了“分子動態—信息傳遞—功能輸出”三位一體的理論框架。
金帆表示：“這項成果充分驗證了定量合成生物學研究范式的巨大潛力。我們不僅發現了生命體內存在的最優信息傳輸頻率和編碼規則，還得出量化這些規律的數學公式。更為重要的是，我們建立了人工生命系統功能模塊的數學設計標準。”
在此次研究中，金帆團隊還展示了一項絕對定量技術——可精確到單細胞水平的生物信息通道容量測量技術。目前，該技術已應用于定量合成生物學全國重點實驗室正在攻關的人工合成細胞膜—基因調控耦合系統，顯著提升了基因回路的功能預測精度。
東京大學教授黑田真也認為：“這項工作不僅揭示了細胞適應機制，其建立的定量框架可推廣至任何生化反應系統，將深刻影響合成生物學、生物醫藥等多個領域的技術革新。”
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