撸撸网 细胞内通讯网罗的“带宽极限”找到了 ——东谈主工生命系统感性缱绻规模迈出蹙迫一步

转自：科创中国撸撸网

日前，中国科学院深圳先进技能联系院定量合成生物学寰宇要点推行室联系员金帆团队与医学成像科学与技能系统寰宇要点推行室联系员储军团队互助，初次揭示了细菌信号分子环磷酸腺苷（cAMP）的极限通讯智力。这记号着我国在东谈主工生命系统感性缱绻规模迈出了要津一步。联系联系着力发表在海外学术期刊《当然·物理》上。

信息传递极限智力未知

早在20世纪初，科学家们就已阐述，包括腺细胞在内的千般细胞均具备合成并开释细胞外小分子信息物资的智力。这些物资通过血液、淋巴液等体液进行传输，进而竣事体液调节和生命信息的传递，号称东谈主体信息传递的“第一信使”。但是，这些“第一信使”并不径直参与细胞的物资与能量代谢历程。违抗，它们通过将信息传递给被称为“第二信使”的物资，障碍调控细胞的生理行径和推陈出新。

在生命信息传递的链条中，信号分子cAMP饰演着“第二信使”的要津扮装，是一种不能或缺的生命调节物资。它等闲存在于动植物的多样细胞以及微生物体内。尽管含量细微，却发挥着举足轻重的作用。在细胞里面，信号分子cAMP参与调节物资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，进而对细胞的生理行径和物资代谢进行调控。

若将细胞比作一座精密的工场，它需要凭证外部环境的变化活泼诊疗我方的“分娩霸术”。在这一历程中，信号分子cAMP则饰演着至关蹙迫的“翻译官”扮装。它概况将外部复杂多变的信息精确地传递并出动为细胞概况麇集的“话语”。

但是，若缘何定量的方法深入考虑这些信号分子在信息传递历程中的极限智力，也曾科学界亟待处分的一个蹙迫问题。

以工程想维破解贫寒

“在工程规模，咱们通常温雅系统的极限性能。比如，一条光纤能传输若干数据，或一个无线网罗能撑执若干用户同期在线。这一想维方法通常适用于生命科学联系。”论文共同通讯作家金帆先容。

2020年，联系团队提倡了一个要津问题：细胞里面的信号分子cAMP究竟能以多快的速率传递信息？这就像是在测试细胞里面通讯网罗的“带宽极限”。这一问题的谜底，关于深入麇集细胞怎样叮属复杂多变的环境，以及未来构建高效的生命信息传递系统齐具有蹙迫真理。

为了解答这一问题，联系团队接受合成生物学的工程化技能，通过基因裁剪技能敲除铜绿假单胞菌中3个要津基因，从而构建出一个信号传递的简化系统。在此基础上，团队立异性地引入光遗传戒指模块bPAC和高颖慧度探针PF2。这两个用具在引发波长上存在各异，不错竣事在光波长维度上对信号“写入”和“读出”的解耦。这些立异操作将原来纵横交叉的“蝴蝶结”结构生物网罗，到手简化为一个可精确操控输入并检测输出的简便信号通谈，进而初次竣事了对活菌内信谈容量大小的十足定量测量。

在联系历程中，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，其荧光变化概况精确地反应信号分子cAMP浓度的动态变化。同期，PF2探针还具备超高的颖慧度，概况捕捉到信号分子cAMP的细微波动，为揭开细胞里面信号传递的精巧面纱提供了强有劲的用具。论文共同通讯作家储军先容，团队开发的探针主要控制于神经科学规模，但其在生命科学联系的其他规模通常具有等闲的控制出路。

“2021年，咱们无意了解到金帆推行室的联系方针与咱们的联系方针具有高度的互补性，且存在稠密的互助空间。两边通过妥洽组会的面孔进行了深入的换取与筹谋，发现咱们正在研发的荧光探针不错凭证金帆团队的联系需求进行个性化定制。基于这一共鸣，咱们达成了以工程想维考虑生命科知识题的互助想路。”储军先容，这种蹧蹋传统生物学联系范式的工程计策，为定量贯通生命系统信息流提供了新方法。

揭示最优频率编码计策

在细胞中，信息的传递就像一场精密的“分子对话”。在该联系中，科研东谈主员发现信号分子cAMP访佛于电子工程中的信号过滤器，其信号传递呈现出显贵的低通滤波特质，即信号分子cAMP会过滤环境中片时、高频的侵犯，只对执续的低频信号作念出反应。

联系团队通过开发信息论数学模子，初次在细菌内竣事了对信号通谈极限传输速率的十足定量测量，末端浮现其速率为每小时40比特。这一速率足以在单个细胞周期内精确调控数十个基因的抒发。这一发现揭示了微生物适合复杂环境的最优频率编码计策，并为生命系统的定量贯通开发了“分子动态—信息传递—功能输出”三位一体的表面框架。

金帆暗示：“这项着力充分考证了定量合成生物学联系范式的重大后劲。咱们不仅发现了生命体内存在的最优信息传输频率和编码礼貌，还得出量化这些章程的数学公式。更为蹙迫的是，咱们开发了东谈主工生命系统功能模块的数学缱绻表率。”

在这次联系中，金帆团队还展示了一项十足定量技能——可精确到单细胞水平的生物信息通谈容量测量技能。现在，该技能已控制于定量合成生物学寰宇要点推行室正在攻关的东谈主工合成细胞膜—基因调控耦合系统，显贵晋升了基因回路的功能忖度精度。

东京大学教学黑田真也觉得：“这项使命不仅揭示了细胞适合机制，其开发的定量框架可奉行至任何生化反应系统撸撸网，将深入影响合成生物学、生物医药等多个规模的技能更始。”