Cell子刊：蓝藻生物钟使用无线电样机制来控制细胞过程

　　

蓝藻是一种进行光合作用的古老细菌，人们发现它可以用与调幅无线电传输相同的物理原理来调节自己的基因。

发表在《当代生物学》上的一项新研究发现，蓝藻利用脉冲振幅（强度）的变化在单个细胞中传递信息。这一发现揭示了生物节律是如何共同调节细胞过程的。

在AM（调幅）无线电中，一种强度和频率恒定的波——称为载波——是由电流的振荡产生的。包含要传输的信息（如音乐或语音）的音频信号被叠加到载波上。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，蓝藻细菌中也有类似的调幅无线电机制。

在蓝藻中，细胞分裂周期，即一个细胞生长并分裂成两个新细胞的过程，起到了“载体信号”的作用。然后，调制信号来自细菌的24小时生物钟，这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的信号——细胞周期和昼夜节律——它们以不同的频率运作？到目前为止，人们还不清楚这两个周期如何协调。

为了解决这个难题，研究小组使用了单细胞延时显微镜和数学模型。通过延时显微镜，他们追踪了一种蛋白质的表达，这种蛋白质是另一种sigma因子RpoD4。RPoD4在转录起始中起重要作用，转录起始是DNA遗传信息转录成RNA的过程。该模型允许研究人员探索信号处理机制，将建模结果与显微镜数据进行比较。研究小组发现，RpoD4只在细胞分裂时被激活，这使得它成为一个理想的追踪对象。

第一作者叶超博士解释说：“我们发现生物钟决定了这些脉冲随着时间的推移有多强。使用这种策略，细胞可以在相同的输出中编码关于两个振荡信号的信息：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。这是我们第一次观察到生物钟使用脉冲幅度调制来控制生物功能，这是一个通常与通信技术相关的概念。”

“通过环境光改变细胞周期的频率，或者通过基因突变改变生物钟的频率，都证实了潜在的原理。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，”共同通讯作者马丁斯博士说。“蓝藻谱系是在27亿年前进化的，对于这个信息处理问题有一个优雅的解决方案。”

洛克教授补充说：“我们研究蓝藻的一个原因是，它们拥有所有生物中最简单的生物钟，因此了解它为我们了解人类和作物等更复杂生物的生物钟奠定了基础。”

“这些原理可能对合成生物学和生物技术产生更广泛的影响。例如，这可以帮助我们开发出更能适应不断变化的环境条件的作物，对农业和可持续性产生影响。”