为细菌装上可编程“信号接收器” 深圳团队破解细菌信号“解码”新机制

深圳新闻网2025年9月17日讯（深圳特区报记者 闻坤）9月15日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室金帆团队联合中国科学院成都文献情报中心杨帅团队在国际期刊《自然物理》发表最新研究成果，首次破解了细菌频率调制（FM）信号处理的物理密码。研究发现，在三基因调控系统中，频率调制可比传统振幅调制提升约2个比特的信息熵，从而实现对多基因系统的精确协调控制。

这是定量合成生物学全国重点实验室继今年3月揭示细菌信号“编码”规律后，在“解码”机制研究方面取得的又一重要突破。研究显著提升了人工生命系统的理性设计能力，为合成生物学开辟了全新的设计维度。

当前，合成生物学面临一项核心挑战：如何仿效自然界实现多个基因的精确协调控制？现有调控方法大多基于“振幅调制”，即调节信号强度来操控基因表达。然而，自然界中普遍存在的振荡现象——从细胞内的钙离子振荡到转录因子的脉冲动态——表明“频率调制”可能是一种更加高效的信息编码方式。“但细菌究竟是如何‘解码’这些频率信号的，一直是领域内未解的难题。”论文通讯作者金帆说。

研究团队采用合成生物学工程化手段，通过基因编辑技术在铜绿假单胞菌中重构了简化的细菌信号分子环磷酸腺苷（cAMP）信号传递通路，并巧妙利用光控合成系统替代内源性cAMP合成机制，用组成型启动子替代天然的反馈调节系统，成功构建出可精确控制和定量监测的“频率解码cAMP电路”（FDCC）。

“这就像是为细菌安装了一个可编程的‘信号接收器’。”论文共同通讯作者杨帅解释道，“我们可以精确控制输入什么样的频率信号，然后观察细菌是如何‘理解’和‘响应’这些信号的。”通过对大量数据的系统分析，团队发现频率调制可极大提升细菌的信息处理能力。“这意味着通过频率调制，细菌的信息处理能力从‘单车道’变成了‘多车道’，能够精确控制更多基因的表达，最终实现更复杂、更精细的生物功能。”金帆说。