央視新聞?|?科研人員破解細(xì)菌信號傳遞極限 開辟人工細(xì)胞理性設(shè)計(jì)新路徑
記者從中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院獲悉,該研究院定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金帆團(tuán)隊(duì)與醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室儲軍團(tuán)隊(duì)合作,近期首次揭示了細(xì)菌信號分子cAMP(環(huán)磷酸腺苷)的極限通信能力,破解了生命系統(tǒng)從蛋白質(zhì)功能到系統(tǒng)功能涌現(xiàn)的機(jī)制。這項(xiàng)成果標(biāo)志著我國在人工生命系統(tǒng)理性設(shè)計(jì)領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。相關(guān)研究成果北京時(shí)間3月27日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·物理》發(fā)表。
當(dāng)前人工合成單細(xì)胞生命仍是世界級難題。生命系統(tǒng)是一個高度復(fù)雜、精密調(diào)控的動態(tài)系統(tǒng),即使是最簡單的單細(xì)胞生物,其基因組中也包含了數(shù)百個基因,這些基因通過復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以維持細(xì)胞的基本生存。細(xì)菌作為單細(xì)胞生物,其內(nèi)部就像一個工廠,需要根據(jù)外部環(huán)境的變化以調(diào)整自己的生產(chǎn)計(jì)劃,而信號分子cAMP就像“翻譯官”,能夠?qū)⑼獠繌?fù)雜的信息傳遞并翻譯成細(xì)菌能夠理解的語言。
在該研究中,研究團(tuán)隊(duì)采用合成生物學(xué)的工程化手段,通過基因編輯技術(shù)敲除銅綠假單胞菌中3個關(guān)鍵基因,構(gòu)建出信號傳遞“純凈”的簡化系統(tǒng)。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入光遺傳控制模塊bPAC和高靈敏度探針PF2,在光的波長上實(shí)現(xiàn)對信號“寫入”和“讀出”的解耦。從而首次實(shí)現(xiàn)在活菌內(nèi)對信道容量大小的絕對定量。
在此過程中,由儲軍團(tuán)隊(duì)開發(fā)的PF2探針是一種特別設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì),由cAMP結(jié)合蛋白和紅色熒光蛋白構(gòu)成,具有高靈敏度和特異性,能夠捕捉對cAMP信號分子的微小變化,為解開細(xì)菌內(nèi)部信號傳遞的神秘面紗提供了重要工具。
研究團(tuán)隊(duì)還通過建立信息論數(shù)學(xué)模型,首次在細(xì)菌內(nèi)絕對定量了信號通道的極限傳輸速率為每小時(shí)40比特,相當(dāng)于在單個細(xì)胞周期內(nèi)精準(zhǔn)調(diào)控?cái)?shù)十個基因的表達(dá)。這一發(fā)現(xiàn)揭示了微生物適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的“最優(yōu)頻率編碼”策略,并為生命系統(tǒng)的定量解析建立了“分子動態(tài)-信息傳遞-功能輸出”三位一體的理論框架。
據(jù)了解,這項(xiàng)成果驗(yàn)證了定量合成生物學(xué)研究范式的革命性潛力。不僅發(fā)現(xiàn)了生命體內(nèi)存在的“最優(yōu)信息傳輸頻率和編碼規(guī)則”,并得出了量化這些規(guī)律的數(shù)學(xué)公式,更重要的是建立了人工生命系統(tǒng)功能模塊的數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
國際同行高度評價(jià)該研究成果認(rèn)為,這項(xiàng)工作不僅揭示了細(xì)菌適應(yīng)機(jī)制,其建立的定量框架可推廣至任何生化反應(yīng)系統(tǒng),將深刻影響合成生物學(xué)、生物醫(yī)藥等多個領(lǐng)域的技術(shù)革新。
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