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·物理学》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。研究在提升人工生命系统的理性设计能力的同时，也为合成生物学开辟了全新的设计维度。

打破传统策略工程化破解频率解码机制

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。

“就像收音机可以通过FM获得比调幅（AM）更清晰的信号一样，细菌也可能利用频率调制来实现更精细的基因调控。”金帆介绍，“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。”

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’。”杨帅介绍，“我们可以精确控制输入什么样的频率信号，并观察细菌是如何‘理解’和‘响应’这些信号的。”

通过严格的时间尺度分析，研究团队发现FDCC系统天然呈现三个功能明确的模块：“波形转换器”负责将周期性光刺激转化为cAMP的锯齿波浓度变化；“阈值滤波器”借助分子间的协同结合，实现对不同频率信号的选择性过滤；“积分器”则将动态频率信息转化为稳态的蛋白表达水平。

据了解，该分层架构的精妙设计，在于每一模块均在自己的“最佳工作频率”区间运行，三者协同运作实现了从频率到振幅的完美转换。

大设施赋能频率调制实现信息熵跃升

研究团队构建了从微观分子反应到宏观系统行为的多层次理论框架。数学分析发现，关键的无量纲参数如同“频率开关”，控制着系统优先传递高频或低频信号。

值得一提的是，该理论预测与实验数据相关性达99.2%，这一精度在复杂生物系统的研究中尤为难得。

依托深圳合成生物研究重大科技设施的自动化实验平台，研究团队首次以精准的定量数据，揭示了频率调制的显著优势。

据了解，自动化实验平台集成可编程光信号控制、细菌培养摇动、自动化溶液处理和荧光测量四个核心功能模块，能够并行处理大量实验样本，并对每个独立样本进行不同参数的光调控。在超过12小时的长时间实验中，该平台表现出优异的稳定性和重现性，96个平行样本的检测指标波动极小，高通量、自动化的实验能力为系统性验证提供了关键保障。

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，“频率调制以更简洁的遗传结构，为合成生物学带来了更精准、更复杂的调控新维度，将显著提升代谢工程中多通路协调优化与细胞治疗中响应性设计的能力。”

据团队介绍，定量合成生物学全国重点实验室聚焦世界科技前沿，围绕生命功能涌现性原理，建立起定量合成生物学底层理论框架。

目前，团队依托深圳合成生物研究重大科技基础设施系统构建了“定量解析—理性设计—自动构建”全链条创新体系。该设施实现了从菌株设计、构建、测试到学习的工程化闭环，显著提升了合成生物底盘菌株的研发与筛选效率。

（受访单位供图）