9月15日，中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室金帆團隊聯合中國科學院成都文獻情報中心楊帥團隊在國際期刊《自然物理》發表最新研究成果，首次破解了細菌頻率調制（FM）信號處理的物理密碼。研究發現，在三基因調控系統中，頻率調制可比傳統振幅調制提升約2個比特的信息熵，從而實現對多基因系統的精確協調控制。

這是定量合成生物學全國重點實驗室繼今年3月揭示細菌信號“編碼”規律后，在“解碼”機制研究方面取得的又一重要突破。研究顯著提升了人工生命系統的理性設計能力，為合成生物學開辟了全新的設計維度。

打破傳統策略 工程化破解頻率解碼機制

當前，合成生物學面臨一項核心挑戰：如何仿效自然界實現多個基因的精確協調控制？現有調控方法大多基于“振幅調制”，即調節信號強度來操控基因表達。然而，自然界中普遍存在的振蕩現象——從細胞內的鈣離子振蕩到轉錄因子的脈沖動態——表明“頻率調制”可能是一種更加高效的信息編碼方式。

“就像收音機可以通過調頻（FM）獲得比調幅（AM）更清晰的信號一樣，細菌也可能利用頻率調制來實現更精細的基因調控。”論文通訊作者金帆表示，“但細菌究竟是如何‘解碼’這些頻率信號的，一直是領域內未解的難題。”

研究團隊采用合成生物學工程化手段，通過基因編輯技術在銅綠假單胞菌中重構了簡化的細菌信號分子環磷酸腺苷（cAMP）信號傳遞通路，并巧妙利用光控合成系統替代內源性cAMP合成機制，用組成型啟動子替代天然的反饋調節系統，成功構建出可精確控制和定量監測的“頻率解碼cAMP電路”（FDCC）。

“這就像是為細菌安裝了一個可編程的‘信號接收器’。”論文共同通訊作者楊帥解釋道，“我們可以精確控制輸入什么樣的頻率信號，然后觀察細菌是如何‘理解’和‘響應’這些信號的。”

通過嚴格的時間尺度分析，研究團隊發現FDCC系統天然呈現三個功能明確的模塊：“波形轉換器”負責將周期性光刺激轉化為cAMP的鋸齒波濃度變化；“閾值濾波器”借助分子間的協同結合，實現對不同頻率信號的選擇性過濾；“積分器”則將動態頻率信息轉化為穩態的蛋白表達水平。該分層架構的精妙設計，在于每一模塊均在自己的“最佳工作頻率”區間運行，三者協同運作實現了從頻率到振幅的完美轉換。

大設施賦能 頻率調制實現信息熵躍升

研究團隊構建了從微觀分子反應到宏觀系統行為的多層次理論框架。數學分析發現，關鍵的無量綱參數如同“頻率開關”，控制著系統優先傳遞高頻或低頻信號。值得注意的是，該理論預測與實驗數據相關性達99.2%，這一精度在復雜生物系統的研究中尤為難得。

依托深圳合成生物研究重大科技設施的自動化實驗平臺，研究團隊首次以精準的定量數據，揭示了頻率調制的顯著優勢。自動化實驗平臺集成可編程光信號控制、細菌培養搖動、自動化溶液處理和熒光測量四個核心功能模塊，能夠并行處理大量實驗樣本，并對每個獨立樣本進行不同參數的光調控。在超過12小時的長時間實驗中，該平臺表現出優異的穩定性和重現性，96個平行樣本的檢測指標波動極小，高通量、自動化的實驗能力為系統性驗證提供了關鍵保障。

通過對大量數據的系統分析，團隊發現頻率調制可極大提升細菌的信息處理能力。“這意味著通過頻率調制，細菌的信息處理能力從‘單車道’變成了‘多車道’，能夠精確控制更多基因的表達，最終實現更復雜、更精細的生物功能。”金帆解釋道。“頻率調制以更簡潔的遺傳結構，為合成生物學帶來了更精準、更復雜的調控新維度，將顯著提升代謝工程中多通路協調優化與細胞治療中響應性設計的能力。”

據團隊介紹，定量合成生物學全國重點實驗室聚焦世界科技前沿，圍繞生命功能涌現性原理，建立起定量合成生物學底層理論框架。目前，團隊依托深圳合成生物研究重大科技基礎設施系統構建了“定量解析-理性設計-自動構建”全鏈條創新體系。該設施實現了從菌株設計、構建、測試到學習的工程化閉環，顯著提升了合成生物底盤菌株的研發與篩選效率。

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原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-025-03030-4