在微生物對(duì)環(huán)境信號(hào)作出細(xì)胞決策（cellular decision-making）的過程中，二級(jí)信使分子作為一種關(guān)鍵的中介，能夠?qū)⑼饨绱碳ぃǔ跫?jí)信號(hào)）傳遞至下游目標(biāo)，從而在信號(hào)傳遞中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。然而，如何以定量化的方式深入探究這些分子在信息傳遞過程中的能力，仍是一個(gè)亟待解決的科學(xué)問題。
2025年3月27日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金帆團(tuán)隊(duì)聯(lián)合醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)軍團(tuán)隊(duì)，在 Nature 子刊 Nature Physics 上發(fā)表了題為：Quantifying Second Messenger Information Transmission in Bacteria 的研究論文。
該研究通過建立信號(hào)通路的定量解析方法，破解了微觀分子機(jī)制與宏觀生命功能之間的關(guān)聯(lián)密碼。
研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合光遺傳學(xué)工具與分子探針技術(shù)，并利用信息理論的基本框架，對(duì)單細(xì)菌內(nèi)二級(jí)信使分子 cAMP 的頻率響應(yīng)特性及其信息傳遞速率上限進(jìn)行了系統(tǒng)分析。研究結(jié)果不僅確認(rèn)了最優(yōu)頻率的存在，還揭示了 cAMP 具有極高的信息傳遞速率上限，可達(dá) 40 bits/h，為理解微生物信號(hào)傳遞機(jī)制提供了新的定量視角。
通過分子生物學(xué)的基本操作，研究團(tuán)隊(duì)敲除了少數(shù)關(guān)鍵基因，并引入了光遺傳學(xué)工具 bPAC（光控合成cAMP分子）和 cAMP 分子探針工具 PF2（檢測(cè)菌內(nèi)cAMP分子）。這兩個(gè)工具由于激發(fā)波長(zhǎng)的差異，在光學(xué)操作上實(shí)現(xiàn)了解耦。這些操作將原本復(fù)雜的“蝴蝶結(jié)”結(jié)構(gòu)生物網(wǎng)絡(luò)成功簡(jiǎn)化為一個(gè)可精確操控輸入并檢測(cè)輸出的簡(jiǎn)單信號(hào)通道（圖1）。
如前所述，研究團(tuán)隊(duì)定制化研發(fā)出了高性能的紅色 cAMP 熒光探針 PF2，該探針與 bPAC 的組合堪稱完美，能實(shí)現(xiàn)光刺激光記錄的全過程，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：1）波長(zhǎng)無串?dāng)_。470 nm 的光用于激活 bPAC，而 561 nm 的光則用于記錄 PF2 的熒光信號(hào)，在 470 nm 光的照射下，PF2 并不會(huì)出現(xiàn)所謂的“光激活”現(xiàn)象；2）PF2 探針具有很高的特異性。其熒光變化能夠特異性地反映 cAMP 濃度的動(dòng)態(tài)變化；3）PF2 探針具有極高的靈敏度，這為 cAMP 信號(hào)的精準(zhǔn)測(cè)量提供了有力保障。
圖1. 基于光控的簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與操作示意圖
在所構(gòu)建的體系基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過方波信號(hào)刺激，成功誘導(dǎo)了單細(xì)菌內(nèi) cAMP 的周期性波動(dòng)，并將波動(dòng)中的波峰值與波谷值的差異定義為 cAMP 分子的信號(hào)強(qiáng)度（S）。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，信號(hào)強(qiáng)度（S）與輸入頻率（f）之間的關(guān)系表明該信道具有低通濾波特性。此外，基于生滅過程的理論分析和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，研究團(tuán)隊(duì)指出該過程中噪聲的大?。碿AMP分子波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差）的平方在數(shù)值上等于一個(gè)周期內(nèi)的 cAMP 分子數(shù)目。由此，研究者進(jìn)一步得到了信噪比（SNR）與輸入頻率的關(guān)系，為解析信道特性提供了重要依據(jù)。
利用信息理論的基本概念，在先前關(guān)于 SNR 研究的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)得出了相對(duì)信息傳遞速率上限（利用輸入頻率等于cAMP降解率γ的條件進(jìn)行了約化）與輸入頻率的關(guān)系。結(jié)果顯示，上凸曲線證實(shí)了最優(yōu)頻率（f*）的存在。進(jìn)一步分析表明，此最優(yōu)頻率與 cAMP 分子數(shù)目（N）密切關(guān)聯(lián)，且在此最優(yōu)頻率下，cAMP 信道采用了兩狀態(tài)的編碼方式。
由此可以近似估算出信息傳遞速率上限 I≈0.3γN0.5。根據(jù)此關(guān)系統(tǒng)計(jì)得到的單細(xì)菌信息傳遞速率上限的結(jié)果為，可以得知，一些單細(xì)菌內(nèi) cAMP 分子信息傳遞速率上限可以超過 0.01bits/s，達(dá)到約 40bits/h。
這項(xiàng)研究表明，cAMP 信號(hào)通道的高信息容量與其調(diào)控多個(gè)下游基因的能力相一致，但實(shí)際信息利用率還受到基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)解碼能力的限制。個(gè)體細(xì)菌間 cAMP 分子水解率的差異導(dǎo)致信息傳遞速率的多樣性，這種異質(zhì)性可能是細(xì)菌群體在動(dòng)態(tài)環(huán)境中保持適應(yīng)性的一種“押注”策略。研究還指出，cAMP 信號(hào)傳遞的最優(yōu)頻率受其分子數(shù)量影響，但始終保持一致的二進(jìn)制編碼方式，進(jìn)一步展示了細(xì)菌信號(hào)系統(tǒng)的復(fù)雜性和精巧性。
綜上所述，該研究展示了一種將信息理論應(yīng)用于細(xì)菌信號(hào)系統(tǒng)的新方法，通過定量分析 cAMP 信號(hào)通道的傳輸能力和最優(yōu)頻率，為細(xì)菌如何通過二級(jí)信使分子實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)控提供了新的見解。這些發(fā)現(xiàn)不僅深化了研究團(tuán)隊(duì)對(duì)微生物適應(yīng)性和決策機(jī)制的理解，也為未來的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)提供了廣闊的可能性。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)院研究員金帆與研究員儲(chǔ)軍為論文通訊作者。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生熊嘉瑞、深圳先進(jìn)院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所副研究員王亮、金帆組前碩士研究生林家倫為論文共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院成都文獻(xiàn)情報(bào)中心副研究員楊帥也為本論文做出重要貢獻(xiàn)。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41567-025-02848-2
合作咨詢
肖女士
021-33392297
Kelly.Xiao@imsinoexpo.com
2006-2025 上海博華國(guó)際展覽有限公司版權(quán)所有（保留一切權(quán)利）
滬ICP備05034851號(hào)-57
