研究突破概述 - 中国科学院深圳先进技术研究院团队首次揭示了细菌信号分子环磷酸腺苷（cAMP）的极限通信能力，标志着我国在人工生命系统理性设计领域迈出关键一步 [1] 研究背景与科学问题 - 信号分子cAMP在生命信息传递中扮演关键的“第二信使”角色，广泛存在于动植物细胞及微生物体内，负责将外部信息转换为细胞可理解的“语言”以调控生理活动 [2] - 如何以定量方法探究信号分子在信息传递过程中的极限能力，是科学界亟待解决的重要问题 [3] 研究方法与工程策略 - 研究团队采用工程思维，提出关键问题：细胞内部的信号分子cAMP能以多快的速度传递信息，即测试细胞内部通信网络的“带宽极限” [4] - 通过合成生物学工程化手段，利用基因编辑技术敲除铜绿假单胞菌的3个关键基因，构建出信号传递简化系统 [4] - 创新引入光遗传控制模块bPAC和高灵敏度红色荧光探针PF2，实现光波长维度上对信号“写入”和“读出”的解耦，将复杂生物网络简化为可精确操控的简单信号通道 [4][5] - 研发的PF2探针具有极高特异性和灵敏度，能精准反映cAMP浓度的动态变化，其应用最初面向神经科学，但在生命科学其他领域也有广泛应用前景 [5] - 合作双方通过联合组会，基于工程思维探究生命科学问题，打破了传统生物学研究范式 [5] 核心发现与量化结果 - 研究发现信号分子cAMP的信号传递呈现低通滤波特性，会过滤环境中短暂高频的干扰，只对持续低频信号做出反应 [7] - 通过建立信息论数学模型，首次在细菌内实现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 [7] - 该传输速率足以在单个细胞周期内精准调控数十个基因的表达，揭示了微生物适应复杂环境的最优频率编码策略 [7] - 研究建立了“分子动态—信息传递—功能输出”三位一体的理论框架，并得出了量化规律的数学公式 [7] - 团队展示了一项可精确到单细胞水平的生物信息通道容量绝对定量测量技术，该技术已应用于人工合成细胞膜—基因调控耦合系统的攻关，显著提升了基因回路的功能预测精度 [7] 研究意义与行业影响 - 该成果验证了定量合成生物学研究范式的巨大潜力，并建立了人工生命系统功能模块的数学设计标准 [7] - 国际同行（东京大学教授）认为，该工作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 [8]