科學家在古代細菌中發現類似無線電編碼的通訊方式
發表在Current Biology上的最新研究發現，藍綠藻利用脈衝的振幅（強度）變化在單細胞中傳遞訊息。 這項發現揭示了生物節律如何共同調節細胞過程。藍藻是一類古老的光合細菌，人們發現它們利用調幅無線電傳輸中使用的相同物理原理來調節自己的基因。
在調幅（振幅調變）無線電中，電流振盪產生強度和頻率恆定的波，稱為載波。 音訊訊號包含要傳輸的訊息（如音樂或語音），疊加到載波上。 這是透過根據音頻訊號的頻率改變載波的振幅來實現的。
由劍橋大學塞恩斯伯里實驗室（SLCU）的詹姆斯-洛克教授和華威大學的布魯諾-馬丁斯博士領導的研究小組發現，藍綠藻中也存在類似調幅無線電的機制。
在藍藻中，細胞分裂週期（一個細胞生長並分裂成兩個新細胞的過程）充當了”載波訊號”。 調製訊號則來自細菌的24 小時晝夜節律表，它是一種內在計時機制。
這項發現回答了細胞生物學中一個長期存在的問題–細胞如何整合來自兩個振盪過程（細胞週期和晝夜節律）的訊號？ 直到現在，人們還不清楚這兩個週期是如何協調的。
Ye 等人報告了藍藻基因調控中的脈衝幅度調製（PAM），類似於調幅無線電。 晝夜節律時鐘調節西格瑪因子的脈衝幅度，從而在非晝夜節律脈衝的情況下產生晝夜節律模式。 這種耦合將時鐘與細胞週期聯繫在一起，表明PAM 是生物鐘中更廣泛的機制。 圖片來源：Chao Le 繪製
為了解開這個謎題，研究團隊使用了單細胞延時顯微鏡和數學建模。 透過延時顯微鏡，他們追蹤到了一種蛋白質的表達，即替代性sigma因子RpoD4。 RpoD4 在轉錄起始過程中發揮重要作用，轉錄是將DNA 中的遺傳訊息轉錄成RNA 的過程。 透過建模，研究人員探索了訊號處理機制，並將建模結果與顯微鏡數據進行了比較。 研究團隊發現，RpoD4僅在細胞分裂時開啟脈衝，使其成為追蹤的理想候選對象。
主要作者葉超博士解釋說：”我們發現，晝夜節律決定了這些脈衝隨時間變化的強度。利用這種策略，細胞可以在同一輸出中編碼兩種振盪信號的訊息：脈衝頻率中的細胞週期訊息和脈衝強度中的24小時時鐘資訊。
“透過環境光改變細胞週期的頻率，或透過基因突變改變晝夜節律鐘的頻率，都驗證了這一基本原理。」共同通訊作者馬丁斯博士說：”在自然界中看到我們有時認為是’我們的’工程規則的例子，令人震驚。
洛克教授補充說：”我們研究藍藻的一個原因是，藍藻擁有所有生物中最簡單的晝夜節律時鐘，因此了解藍藻為我們了解更複雜生物（如人類和農作物）的時鐘奠定了基礎。這些原理可能會對合成生物學和生物技術產生更廣泛的影響。
編譯自/ ScitechDaily