科学家破解细菌信号“解码”新机制

本报讯（记者刁雯蕙）中国科学院深圳先进技术研究院研究员金帆团队联合中国科学院成都文献情报中心副研究员杨帅团队，首次破解了细菌频率调制信号处理的物理密码。在三基因调控系统中，频率调制可比传统振幅调制提升约两个比特的信息熵，从而实现对多基因系统的精确协调控制。该研究显著提升了人工生命系统的理性设计能力，为合成生物学开辟了全新的设计维度。9月15日，相关研究成果发表于《自然-物理学》。

研究团队采用合成生物学工程化手段，利用基因编辑技术在铜绿假单胞菌中重构了简化的细菌信号分子环磷酸腺苷（cAMP）信号传递通路，并利用光控合成系统替代内源性cAMP合成机制，用组成型启动子替代天然的反馈调节系统，成功构建出可精确控制和定量监测的“频率解码cAMP电路”（FDCC）。

通过严格的时间尺度分析，研究团队发现FDCC天然呈现3个功能明确的模块：“波形转换器”负责将周期性光刺激转化为cAMP的锯齿波浓度变化；“阈值滤波器”借助分子间的协同结合，实现对不同频率信号的选择性过滤；“积分器”则将动态频率信息转化为稳态的蛋白表达水平。该分层架构设计的精妙在于每一模块均在自己的“最佳工作频率”区间运行，三者协同运作实现了从频率到振幅的完美转换。

研究团队构建了从微观分子反应到宏观系统行为的多层次理论框架。数学分析发现，关键的无量纲参数如同“频率开关”，控制着系统优先传递高频或低频信号。该理论预测与实验数据相关性达99.2%，这一精度在复杂生物系统研究中尤为难得。

研究发现，频率调制可极大提升细菌的信息处理能力。“这意味着通过频率调制，细菌的信息处理能力从‘单车道’变成‘多车道’，能够精确控制更多基因的表达，最终实现更复杂、精细的生物功能。”金帆表示。频率调制以更简洁的遗传结构，为合成生物学带来了更精准、复杂的调控新维度，将显著提升代谢工程中多通路协调优化与细胞治疗中响应性设计的能力。