据报道，人体内的细胞通过分子通道发送和接收化学信号，30多年前，科学家们称这一过程为“细胞信号传导”。现在，美国科学家首次确定，一个生物化学信号通道的数据容量不足1比特，细胞通过群体编码相互“交谈”。相关研究发表在最新一期的《科学》杂志上。
上世纪80年代，细胞生物学家确定了一些关键的信号传导通道，其中包括核因子κB（NF-kB），但沿着这些通道行进的化学信使携带多少信息一直是个未解之谜。
该研究的领导者、美国艾默里大学物理和生物学副教授伊利亚·勒门曼和约翰霍普金斯大学的生物医学副教授安德烈·列夫琴科于2007年就开始携手合作，试图解决这个问题。
列夫琴科研制出了微流路和测量技术，测量出了在NF-kB通道上一次出现在数千个细胞上的生物化学信号传输数量。勒门曼推出了一个公式来分析和定量计算实验结果。结果显示，该通道的信号容量不足1比特，只够做出一个二进制决定：简单的是或非。NF-kB通道主要调控由细胞做出的各种复杂决定，对包括压力、自由基、细菌和致命病原体等刺激做出反应。除了NF-kB以外，他们还分析了其他几个生物化学通道的信号，结果一样。这表明，数据容量不足1比特的生物通道很常见。
“NF-kB生物化学通道与一些复杂的功能有关，但其信息容量不足1比特。这个简单的结论改变了我们对细胞如何获取化学数据的看法。这表明，细胞无法只依靠该通道就做出决定，因为它们无法得到足够的信息。”勒门曼解释道，细胞无法通过信号传导通道得到所有信息，它们有时候会在这些已知通道外互相“交谈”。单个细胞没有足够多的信息来考虑所有变量并决定是否修复某些组织，但一群细胞能互相“交谈”，每个细胞提供一点信息，细胞们就能群策群力做出决定。这种现象名为群体编码，一直用于神经网络的电活动方面，勒门曼团队现在将这个过程应用于生物化学通道。
勒门曼希望分析和比较一个癌细胞和一个正常细胞的信号传导容量。“癌细胞会在不应该分裂的时候分裂，这意味着它们正在做坏的决定。我们希望定量研究这个做决定的过程，看看癌细胞是否和健康细胞拥有同样的数据容量。”（生物谷 Bioon.com）
doi:10.1126/science.1204553
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Information Transduction Capacity of Noisy Biochemical Signaling Networks
Cheong, Raymond; Rhee, Alex; Wang, Chiaochun Joanne; Nemenman, Ilya; Levchenko, Andre
Molecular noise restricts the ability of an individual cell to resolve input signals of different strengths and gather information about the external environment. Transmitting information through complex signaling networks with redundancies can overcome this limitation. We developed an integrative theoretical and experimental framework, based on the formalism of information theory, to quantitatively predict and measure the amount of information transduced by molecular and cellular networks. Analyzing tumor necrosis factor (TNF) signaling revealed that individual TNF signaling pathways transduce information sufficient for accurate binary decisions, and an upstream bottleneck limits the information gained via multiple pathways together. Negative feedback to this bottleneck could both alleviate and enhance its limiting effect, despite decreasing noise. Bottlenecks likewise constrain information attained by networks signaling through multiple genes or cells.
