科学家在远古细菌中发现类似无线电编码的通讯方式

发表在Current Biology上的最新研究发现，蓝藻利用脉冲的振幅（强度）变化在单细胞中传递信息。 这一发现揭示了生物节律如何共同调节细胞过程。蓝藻是一类古老的光合细菌，人们发现它们利用调幅无线电传输中使用的相同物理原理来调节自己的基因。

在调幅（幅度调制）无线电中，电流振荡产生强度和频率恒定的波，称为载波。 音频信号包含要传输的信息（如音乐或语音），被叠加到载波上。 这是通过根据音频信号的频率改变载波的振幅来实现的。

由剑桥大学塞恩斯伯里实验室（SLCU）的詹姆斯-洛克教授和华威大学的布鲁诺-马丁斯博士领导的研究小组发现，蓝藻中也存在类似调幅无线电的机制。

在蓝藻中，细胞分裂周期（一个细胞生长并分裂成两个新细胞的过程）充当了"载波信号"。 调制信号则来自细菌的 24 小时昼夜节律表，它是一种内部计时机制。

这一发现回答了细胞生物学中一个长期存在的问题--细胞如何整合来自两个振荡过程（细胞周期和昼夜节律）的信号？ 直到现在，人们还不清楚这两个周期是如何协调的。

Ye 等人报告了蓝藻基因调控中的脉冲幅度调制（PAM），类似于调幅无线电。 昼夜节律时钟调节西格玛因子的脉冲幅度，从而在非昼夜节律脉冲的情况下产生昼夜节律模式。 这种耦合将时钟与细胞周期联系在一起，表明 PAM 是生物钟中一种更广泛的机制。 图片来源：Chao Le 绘制

为了解开这个谜题，研究小组使用了单细胞延时显微镜和数学建模。 通过延时显微镜，他们追踪到了一种蛋白质的表达，即替代性sigma因子RpoD4。 RpoD4 在转录起始过程中发挥着重要作用，转录是将 DNA 中的遗传信息转录成 RNA 的过程。 通过建模，研究人员探索了信号处理机制，并将建模结果与显微镜数据进行了比较。 研究小组发现，RpoD4仅在细胞分裂时开启脉冲，这使其成为追踪的理想候选对象。

主要作者叶超博士解释说："我们发现，昼夜节律决定了这些脉冲随时间变化的强度。 利用这种策略，细胞可以在同一输出中编码两种振荡信号的信息：脉冲频率中的细胞周期信息和脉冲强度中的24小时时钟信息。 这是我们首次观察到昼夜节律钟利用脉冲幅度调制来控制生物功能。"

"通过环境光改变细胞周期的频率，或通过基因突变改变昼夜节律钟的频率，都验证了这一基本原理。 "共同通讯作者马丁斯博士说："在自然界中看到我们有时认为是'我们的'工程规则的例子，令人震惊。蓝藻是在 27 亿年前进化而来的，它们为这一信息处理问题提供了优雅的解决方案。"

洛克教授补充说："我们研究蓝藻的一个原因是，蓝藻拥有所有生物中最简单的昼夜节律时钟，因此了解蓝藻为我们了解更复杂生物（如人类和农作物）的时钟奠定了基础。这些原理可能会对合成生物学和生物技术产生更广泛的影响。 例如，这可以帮助我们培育出更能适应不断变化的环境条件的作物，从而对农业和可持续发展产生影响。"

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1016/j.cub.2024.10.047