記者從中國科學院深圳先進技術研究院獲悉，該研究院定量合成生物學全國重點實驗室金帆團隊與醫學成像科學與技術系統全國重點實驗室儲軍團隊合作，近期首次揭示了細菌信號分子cAMP（環磷酸腺苷）的極限通信能力，破解了生命系統從蛋白質功能到系統功能湧現的機制。這項成果標誌着我國在人工生命系統理性設計領域邁出關鍵一步。相關研究成果北京時間3月27日在國際學術期刊《自然·物理》發表。
當前人工合成單細胞生命仍是世界級難題。生命系統是一個高度複雜、精密調控的動態系統，即使是最簡單的單細胞生物，其基因組中也包含了數百個基因，這些基因通過複雜的調控網絡以維持細胞的基本生存。細菌作為單細胞生物，其內部就像一個工廠，需要根據外部環境的變化以調整自己的生產計劃，而信號分子cAMP就像“翻譯官”，能夠將外部複雜的信息傳遞並翻譯成細菌能夠理解的語言。
△單細菌內PF2探針熒光強度隨着輸入刺激的周期性變化
在該研究中，研究團隊採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，構建出信號傳遞“純凈”的簡化系統。團隊創新性地引入光遺傳控制模塊bPAC和高靈敏度探針PF2，在光的波長上實現對信號“寫入”和“讀出”的解耦。從而首次實現在活菌內對信道容量大小的絕對定量。
在此過程中，由儲軍團隊開發的PF2探針是一種特別設計的蛋白質，由cAMP結合蛋白和紅色熒光蛋白構成，具有高靈敏度和特異性，能夠捕捉對cAMP信號分子的微小變化，為解開細菌內部信號傳遞的神秘面紗提供了重要工具。
研究團隊還通過建立信息論數學模型，首次在細菌內絕對定量了信號通道的極限傳輸速率為每小時40比特，相當於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複雜環境的“最優頻率編碼”策略，並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。
據了解，這項成果驗證了定量合成生物學研究範式的革命性潛力。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”，並得出了量化這些規律的數學公式，更重要的是建立了人工生命系統功能模塊的數學設計標準。
國際同行高度評價該研究成果認為，這項工作不僅揭示了細菌適應機制，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。
（總台央視記者 帥俊全 褚爾嘉）
來源：央視新聞客戶端
