摘要：编辑丨王多鱼排版丨水成文在微生物对环境信号作出细胞决策（cellular decision-making）的过程中，二级信使分子作为一种关键的中介，能够将外界刺激（初级信号）传递至下游目标，从而在信号传递中发挥至关重要的作用。然而，如何以定量化的方式深入探究这
编辑丨王多鱼排版丨水成文在微生物对环境信号作出细胞决策（cellular decision-making）的过程中，二级信使分子作为一种关键的中介，能够将外界刺激（初级信号）传递至下游目标，从而在信号传递中发挥至关重要的作用。然而，如何以定量化的方式深入探究这些分子在信息传递过程中的能力，仍是一个亟待解决的科学问题。2025 年 3 月 27 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医学成像科学与技术系统全国重点实验室储军团队，在 Nature 子刊 Nature Physics 上发表了题为：Quantifying Second Messenger Information Transmission in Bacteria 的研究论文。该研究通过建立信号通路的定量解析方法，破解了微观分子机制与宏观生命功能之间的关联密码。
图1. 基于光控的简化系统结构与操作示意图在所构建的体系基础上，研究团队通过方波信号刺激，成功诱导了单细菌内 cAMP 的周期性波动，并将波动中的波峰值与波谷值的差异定义为 cAMP 分子的信号强度（S）。研究进一步发现，信号强度（S）与输入频率（f）之间的关系表明该信道具有低通滤波特性。此外，基于生灭过程的理论分析和实验观测，研究团队指出该过程中噪声的大小（即cAMP分子波动的标准差）的平方在数值上等于一个周期内的 cAMP 分子数目。由此，研究者进一步得到了信噪比（SNR）与输入频率的关系，为解析信道特性提供了重要依据。利用信息理论的基本概念，在先前关于 SNR 研究的基础上，研究团队得出了相对信息传递速率上限（利用输入频率等于cAMP降解率γ的条件进行了约化）与输入频率的关系。结果显示，上凸曲线证实了最优频率（f*）的存在。进一步分析表明，此最优频率与 cAMP 分子数目（N）密切关联，且在此最优频率下，cAMP 信道采用了两状态的编码方式。由此可以近似估算出信息传递速率上限 I≈0.3γN0.5。根据此关系统计得到的单细菌信息传递速率上限的结果为，可以得知，一些单细菌内 cAMP 分子信息传递速率上限可以超过 0.01bits/s，达到约 40bits/h。这项研究表明，cAMP 信号通道的高信息容量与其调控多个下游基因的能力相一致，但实际信息利用率还受到基因表达网络解码能力的限制。个体细菌间 cAMP 分子水解率的差异导致信息传递速率的多样性，这种异质性可能是细菌群体在动态环境中保持适应性的一种“押注”策略。研究还指出，cAMP 信号传递的最优频率受其分子数量影响，但始终保持一致的二进制编码方式，进一步展示了细菌信号系统的复杂性和精巧性。综上所述，该研究展示了一种将信息理论应用于细菌信号系统的新方法，通过定量分析 cAMP 信号通道的传输能力和最优频率，为细菌如何通过二级信使分子实现精细调控提供了新的见解。这些发现不仅深化了研究团队对微生物适应性和决策机制的理解，也为未来的基础研究和应用开发提供了广阔的可能性。中国科学院深圳先进院研究员金帆与研究员储军为论文通讯作者。中国科学技术大学博士研究生熊嘉瑞、深圳先进院生物医学与健康工程研究所副研究员王亮、金帆组前硕士研究生林家伦为论文共同第一作者。中国科学院成都文献情报中心副研究员杨帅也为本论文做出重要贡献。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-025-02848-2 来源：CFBDSIRJ214947-
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