记者从中国科学院深圳先进技术研究院获悉，该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，近期首次揭示了细菌信号分子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。相关研究成果北京时间3月27日在国际学术期刊《自然·物理》发表。
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。
△单细菌内PF2探针荧光强度随着输入刺激的周期性变化
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。
研究团队还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。
据了解，这项成果验证了定量合成生物学研究范式的革命性潜力。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。
国际同行高度评价该研究成果认为，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。
（总台央视记者 帅俊全 褚尔嘉）
来源：央视新闻客户端
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