深圳新聞網2025年9月17日訊（記者 葉梅）9月15日，中(zhong)國(guo)科學院(yuan)深圳先進技(ji)術研(yan)究院(yuan)定量合成生物學全國(guo)重點實(shi)驗(yan)室(shi)金帆團隊聯合中(zhong)國(guo)科學院(yuan)成都文獻情報中(zhong)心(xin)楊帥團隊在(zai)國(guo)際期刊《自然物理》發表最(zui)新研(yan)究成果，首次(ci)破(po)解了細菌頻率調(diao)(diao)(diao)制（FM）信號(hao)處理的(de)物理密碼。研(yan)究發現，在(zai)三(san)基因調(diao)(diao)(diao)控(kong)系(xi)統(tong)中(zhong)，頻率調(diao)(diao)(diao)制可(ke)比傳統(tong)振(zhen)幅調(diao)(diao)(diao)制提升約2個比特的(de)信息熵，從而實(shi)現對(dui)多基因系(xi)統(tong)的(de)精確協調(diao)(diao)(diao)控(kong)制。

這是定量合(he)成生物(wu)(wu)學全(quan)國重點實驗室繼今年3月揭(jie)示細菌信號(hao)“編碼”規律后，在“解(jie)碼”機制(zhi)研究方面取得(de)的又(you)一重要突破。研究顯著提升了人工生命系統(tong)的理性(xing)設(she)計(ji)能力(li)，為合(he)成生物(wu)(wu)學開辟了全(quan)新的設(she)計(ji)維度。

打破傳統策略 工程化破解頻率解碼機制

當(dang)前(qian)，合成生物學面臨一項(xiang)核心挑戰(zhan)：如何仿(fang)效自然界實現(xian)多(duo)個(ge)基因的精確協調(diao)控制(zhi)？現(xian)有調(diao)控方法大多(duo)基于“振(zhen)幅(fu)調(diao)制(zhi)”，即調(diao)節信號強度來(lai)操(cao)控基因表(biao)達。然而，自然界中普遍存(cun)在的振(zhen)蕩現(xian)象——從細胞內的鈣(gai)離子振(zhen)蕩到轉錄因子的脈沖動態——表(biao)明“頻(pin)率(lv)調(diao)制(zhi)”可能是(shi)一種(zhong)更加高效的信息編碼方式。

“就像(xiang)收音機(ji)可以(yi)通過(guo)調(diao)頻(pin)（FM）獲得(de)比調(diao)幅（AM）更清晰的(de)信(xin)號一樣，細菌(jun)(jun)也可能(neng)利用頻(pin)率調(diao)制來實現(xian)更精細的(de)基(ji)因調(diao)控。”論文(wen)通訊作者金(jin)帆表示，“但細菌(jun)(jun)究竟是(shi)(shi)如何‘解碼’這些頻(pin)率信(xin)號的(de)，一直是(shi)(shi)領域(yu)內未解的(de)難題。”

研究團(tuan)隊(dui)采(cai)用(yong)合(he)成生物學工程化(hua)手段，通過基因編(bian)輯技(ji)術在銅(tong)綠假單胞菌中重構了簡化(hua)的細菌信號分子環(huan)磷(lin)酸腺苷(gan)（cAMP）信號傳遞通路(lu)，并巧(qiao)妙利(li)用(yong)光控合(he)成系(xi)統替(ti)代內源性cAMP合(he)成機制，用(yong)組(zu)成型啟動子替(ti)代天(tian)然的反饋調節系(xi)統，成功構建出可精(jing)確(que)控制和定量監測(ce)的“頻率解碼cAMP電路(lu)”（FDCC）。

“這就像是(shi)為(wei)細菌安裝(zhuang)了一個可編程的‘信(xin)號接收器’。”論文共(gong)同通訊(xun)作者楊帥解釋道，“我(wo)們可以精(jing)確控制輸(shu)入什么樣的頻率信(xin)號，然后觀(guan)察細菌是(shi)如何(he)‘理解’和‘響應’這些信(xin)號的。”

通過(guo)嚴格(ge)的(de)(de)時間尺度(du)分(fen)析，研究團隊發現(xian)FDCC系統天(tian)然呈現(xian)三個功能明確的(de)(de)模塊：“波(bo)形轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器”負責(ze)將(jiang)周(zhou)期性光(guang)刺激轉(zhuan)(zhuan)化(hua)為cAMP的(de)(de)鋸(ju)齒波(bo)濃度(du)變化(hua)；“閾值濾波(bo)器”借助分(fen)子(zi)間的(de)(de)協(xie)同(tong)(tong)結合，實現(xian)對不(bu)同(tong)(tong)頻率信號的(de)(de)選擇性過(guo)濾；“積分(fen)器”則(ze)將(jiang)動態頻率信息(xi)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)為穩態的(de)(de)蛋(dan)白表(biao)達水平。該分(fen)層(ceng)架構的(de)(de)精妙設計，在(zai)于每一模塊均在(zai)自(zi)己(ji)的(de)(de)“最(zui)佳工作頻率”區間運(yun)(yun)行，三者(zhe)協(xie)同(tong)(tong)運(yun)(yun)作實現(xian)了(le)從頻率到振幅的(de)(de)完(wan)美轉(zhuan)(zhuan)換(huan)。

大設施賦能 頻率調制實現信息熵躍升

研(yan)(yan)究團隊構建(jian)了從微觀分子反應到宏觀系(xi)統行為(wei)的(de)多層次理(li)論框(kuang)架(jia)。數(shu)學分析(xi)發(fa)現，關鍵的(de)無量(liang)綱參數(shu)如同“頻率(lv)開關”，控制著系(xi)統優先傳(chuan)遞高頻或(huo)低頻信號。值得注意的(de)是，該理(li)論預測與實驗數(shu)據相關性達99.2%，這一(yi)精度在復雜(za)生物系(xi)統的(de)研(yan)(yan)究中(zhong)尤為(wei)難得。

依托深圳合(he)成生物研究重大科技設(she)施的(de)(de)自(zi)動(dong)化(hua)實(shi)驗(yan)(yan)平臺，研究團隊首次以精(jing)準的(de)(de)定量(liang)(liang)數據，揭示了頻率調(diao)制的(de)(de)顯著優(you)勢(shi)。自(zi)動(dong)化(hua)實(shi)驗(yan)(yan)平臺集成可編程(cheng)光信號控制、細菌培養搖動(dong)、自(zi)動(dong)化(hua)溶液處理和熒光測量(liang)(liang)四個(ge)核心功(gong)能(neng)模(mo)塊(kuai)，能(neng)夠并行(xing)處理大量(liang)(liang)實(shi)驗(yan)(yan)樣(yang)本，并對每(mei)個(ge)獨立(li)樣(yang)本進行(xing)不(bu)同參數的(de)(de)光調(diao)控。在超過12小時的(de)(de)長時間實(shi)驗(yan)(yan)中，該平臺表(biao)現(xian)出優(you)異的(de)(de)穩(wen)定性和重現(xian)性，96個(ge)平行(xing)樣(yang)本的(de)(de)檢測指標波動(dong)極小，高通(tong)量(liang)(liang)、自(zi)動(dong)化(hua)的(de)(de)實(shi)驗(yan)(yan)能(neng)力為系統性驗(yan)(yan)證提供了關鍵保障。

通過(guo)對大量數據的(de)(de)(de)系(xi)統(tong)分析，團隊發現頻率(lv)(lv)調(diao)制可極大提升(sheng)細(xi)菌的(de)(de)(de)信(xin)息處理能(neng)(neng)力。“這意味(wei)著通過(guo)頻率(lv)(lv)調(diao)制，細(xi)菌的(de)(de)(de)信(xin)息處理能(neng)(neng)力從‘單車道(dao)’變成了‘多車道(dao)’，能(neng)(neng)夠精(jing)確(que)控(kong)制更(geng)(geng)多基因(yin)的(de)(de)(de)表達，最(zui)終實現更(geng)(geng)復雜(za)、更(geng)(geng)精(jing)細(xi)的(de)(de)(de)生物功能(neng)(neng)。”金(jin)帆解釋(shi)道(dao)。“頻率(lv)(lv)調(diao)制以(yi)更(geng)(geng)簡潔的(de)(de)(de)遺(yi)傳結構，為合成生物學帶來(lai)了更(geng)(geng)精(jing)準、更(geng)(geng)復雜(za)的(de)(de)(de)調(diao)控(kong)新維度，將顯(xian)著提升(sheng)代謝工(gong)程中多通路協調(diao)優化與細(xi)胞治(zhi)療中響應性設計的(de)(de)(de)能(neng)(neng)力。”

據團隊介(jie)紹(shao)，定(ding)量合成(cheng)(cheng)生物(wu)學(xue)(xue)全(quan)(quan)國重點實驗室聚焦世界科(ke)技(ji)前(qian)沿，圍繞生命功能涌(yong)現(xian)性原理，建立起定(ding)量合成(cheng)(cheng)生物(wu)學(xue)(xue)底層(ceng)理論框架。目前(qian)，團隊依托(tuo)深圳合成(cheng)(cheng)生物(wu)研究重大科(ke)技(ji)基礎設(she)(she)施系(xi)統構建了(le)“定(ding)量解析(xi)-理性設(she)(she)計-自動構建”全(quan)(quan)鏈條創新(xin)體(ti)系(xi)。該設(she)(she)施實現(xian)了(le)從(cong)菌(jun)株設(she)(she)計、構建、測試(shi)到學(xue)(xue)習的(de)工程化(hua)閉環，顯著提升了(le)合成(cheng)(cheng)生物(wu)底盤菌(jun)株的(de)研發與篩選效率。