40比特

研究团队首次测定细菌内信号通道极限传输速率为每小时40比特。

◎本报记者 罗云鹏 通讯员 赵梓杉

日前，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研究员金帆团队与医学成像科学与技术系统全国重点实验室研究员储军团队合作，首次揭示了细菌信号分子环磷酸腺苷（cAMP）的极限通信能力。这标志着我国在人工生命系统理性设计领域迈出了关键一步。相关研究成果发表在国际学术期刊《自然·物理》上。

信息传递极限能力未知

早在20世纪初，科学家们就已证实，包括腺细胞在内的各类细胞均具备合成并释放细胞外小分子信息物质的能力。这些物质通过血液、淋巴液等体液进行传输，进而实现体液调节和生命信息的传递，堪称人体信息传递的“第一信使”。然而，这些“第一信使”并不直接参与细胞的物质与能量代谢过程。相反，它们通过将信息传递给被称为“第二信使”的物质，间接调控细胞的生理活动和新陈代谢。

在生命信息传递的链条中，信号分子cAMP扮演着“第二信使”的关键角色，是一种不可或缺的生命调节物质。它广泛存在于动植物的各种细胞以及微生物体内。尽管含量微小，却发挥着举足轻重的作用。在细胞内部，信号分子cAMP参与调节物质的代谢和生物学功能。当体内多种激素作用于细胞时，会促使细胞生成信号分子cAMP，进而对细胞的生理活动和物质代谢进行调控。

若将细胞比作一座精密的工厂，它需要根据外部环境的变化灵活调整自己的“生产计划”。在这一过程中，信号分子cAMP则扮演着至关重要的“翻译官”角色。它能够将外部复杂多变的信息精准地传递并转换为细胞能够理解的“语言”。

然而，如何以定量的方法深入探究这些信号分子在信息传递过程中的极限能力，仍是科学界亟待解决的一个重要问题。

以工程思维破解难题

“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同时在线。这一思维模式同样适用于生命科学研究。”论文共同通讯作者金帆介绍。

2020年，研究团队提出了一个关键问题：细胞内部的信号分子cAMP究竟能以多快的速度传递信息？这就像是在测试细胞内部通信网络的“带宽极限”。这一问题的答案，对于深入理解细胞如何应对复杂多变的环境，以及未来构建高效的生命信息传递系统都具有重要意义。

为了解答这一问题，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，从而构建出一个信号传递的简化系统。在此基础上，团队创新性地引入光遗传控制模块bPAC和高灵敏度探针PF2。这两个工具在激发波长上存在差异，可以实现在光波长维度上对信号“写入”和“读出”的解耦。这些创新操作将原本错综复杂的“蝴蝶结”结构生物网络，成功简化为一个可精确操控输入并检测输出的简单信号通道，进而首次实现了对活菌内信道容量大小的绝对定量测量。

在研究过程中，储军团队研发出了一款高性能的红色cAMP荧光探针PF2。这款探针具有极高的特异性，其荧光变化能够精准地反映信号分子cAMP浓度的动态变化。同时，PF2探针还具备超高的灵敏度，能够捕捉到信号分子cAMP的微小波动，为揭开细胞内部信号传递的神秘面纱提供了强有力的工具。论文共同通讯作者储军介绍，团队开发的探针主要应用于神经科学领域，但其在生命科学研究的其他领域同样具有广泛的应用前景。

“2021年，我们偶然了解到金帆实验室的研究方向与我们的研究方向具有高度的互补性，且存在广阔的合作空间。双方通过联合组会的形式进行了深入的交流与讨论，发现我们正在研发的荧光探针可以根据金帆团队的研究需求进行个性化定制。基于这一共识，我们达成了以工程思维探究生命科学问题的合作思路。”储军介绍，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新方法。

揭示最优频率编码策略

在细胞中，信息的传递就像一场精密的“分子对话”。在该研究中，科研人员发现信号分子cAMP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，即信号分子cAMP会过滤环境中短暂、高频的干扰，只对持续的低频信号做出反应。

研究团队通过建立信息论数学模型，首次在细菌内实现了对信号通道极限传输速率的绝对定量测量，结果显示其速率为每小时40比特。这一速率足以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。

金帆表示：“这项成果充分验证了定量合成生物学研究范式的巨大潜力。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，还得出量化这些规律的数学公式。更为重要的是，我们建立了人工生命系统功能模块的数学设计标准。”

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。

东京大学教授黑田真也认为：“这项工作不仅揭示了细胞适应机制，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。”