中国科学院深圳先进技术研究院的金帆团队与储军团队合作，首次揭示细菌信号分子cAMP的极限通信能力，破解生命系统功能涌现机制的科研成果。详细阐述了研究背景、方法、发现以及该成果的重要意义和国际影响。
记者从中国科学院深圳先进技术研究院了解到，该研究院定量合成生物学全国重点实验室的金帆团队，携手医学成像科学与技术系统全国重点实验室的储军团队，取得了一项重大科研突破。近期，他们首次揭示了细菌信号分子cAMP（环磷酸腺苷）的极限通信能力，成功破解了生命系统从蛋白质功能到系统功能涌现的机制。这一重要成果，标志着我国在人工生命系统理性设计领域向前迈出了关键的一步。相关研究成果已于北京时间3月27日在国际学术期刊《自然·物理》上发表。
目前，人工合成单细胞生命仍然是一个世界级的难题。生命系统是一个极其复杂且受到精密调控的动态系统。就拿最简单的单细胞生物来说，其基因组中包含了数百个基因，这些基因通过复杂的调控网络，维持着细胞的基本生存。细菌作为单细胞生物，其内部就如同一个工厂，需要根据外部环境的变化来调整自身的“生产计划”。而信号分子cAMP就像是一位“翻译官”，它能够把外部复杂的信息传递并转化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
在此次研究中，研究团队运用合成生物学的工程化手段，借助基因编辑技术，敲除了铜绿假单胞菌中的3个关键基因，构建出了一个信号传递“纯净”的简化系统。而且，团队创新性地引入了光遗传控制模块bPAC和高灵敏度探针PF2，在光的波长上实现了对信号“写入”和“读出”的解耦。通过这样的方式，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，储军团队开发的PF2探针发挥了重要作用。这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cAMP信号分子的微小变化，为揭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，这相当于在单个细胞周期内精准调控数十个基因的表达。这一重要发现揭示了微生物适应复杂环境的“最优频率编码”策略，并且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，这项成果充分验证了定量合成生物学研究范式的革命性潜力。它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”，还得出了量化这些规律的数学公式，更为重要的是，建立了人工生命系统功能模块的数学设计标准。
国际同行对该研究成果给予了高度评价。他们认为，这项工作不仅揭示了细菌的适应机制，而且其建立的定量框架可以推广至任何生化反应系统，将对合成生物学、生物医药等多个领域的技术革新产生深刻影响。
本文介绍了中国科学院深圳先进技术研究院团队合作的科研成果，即首次揭示细菌信号分子cAMP的极限通信能力及破解生命系统功能涌现机制。研究团队通过一系列创新方法取得重要发现，建立理论框架和数学设计标准。该成果验证了研究范式潜力，获得国际高度评价，将推动多个领域的技术革新。
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