艾輝旺團隊發明將綠色螢光蛋白傳感器轉化為紅色螢光傳感器新技術

2020-09-15 BioArt

責編 | 兮


基於螢光蛋白的生物傳感器是必不可少的研究工具。儘管近些年科學家陸續進化出個別基於紅色螢光蛋白的生物傳感器，但大多數現有螢光蛋白生物傳感器的發射波長都落在綠色或黃色光譜區域中。它們的光譜重疊會阻礙，很難實現雙通道螢光監測。此外，紅色螢光蛋白生物傳感器有望減少光毒性和自發螢光，並增加光子滲透和成像深度。但是，現有的紅色螢光蛋白生物傳感器通常動態範圍小，在細胞內易聚集，以及存在光轉化等問題。因此，現有的紅色螢光探針普遍在功能上不如其對應的綠色螢光版本。因此，開發功能上更好的紅色螢光傳感器成為螢光顯影學界的研究重點。


相比傳統的定向進化手段，遺傳密碼子擴展技術是將蛋白質定向進化的一種有效工具。該技術能夠將非天然胺基酸定點插入到目標蛋白中，繼而改變目標蛋白原有的理化性質。2020年9月14日，美國維吉尼亞大學 （University of Virginia）艾輝旺（Hui-wang Ai）課題組在Nature Chemical Biology雜誌上發表文章 A general strategy to red-shift green fluorescent protein based biosensors 的文章，將3-氨基酪氨酸（3-amino tyrosine，aY）插入到綠色、黃色、青色螢光蛋白的發色團酪氨酸殘基位置，將原本的螢光發射光紅移近100納米。該課題組進一步將這項技術應用於多種黃，綠色螢光蛋白生物傳感器中，使其螢光發射光紅移以減少其光毒性並實現了多螢光通道多檢測物的同時監測。


圖1. 定向插入aY可將綠色螢光蛋白紅移近100納米。


該研究構建了在大腸桿菌，哺乳動物細胞系，以及神經元中定向插入aY的技術，用以實現生物傳感器綠色螢光到紅色螢光到轉化。該技術不需要特殊的實驗條件，並且通用於各種黃，綠色螢光蛋白及生物探針。在該文中，該技術被應用於成功改造5個不同的螢光蛋白和9個螢光生物探針。相比原有的綠色螢光版本，改造後的紅色螢光探針紅移近100納米。同時在蛋白，細胞系以及神經元中證明了新進化的紅色螢光探針保留了對應相比原有的綠色螢光探針的動態範圍，螢光強度，以及靈敏度。


這一研究進一步將生物傳感器用於胰腺β細胞中代謝動力學的多重成像。如預期的那樣，研究者觀察到了對高葡萄糖反應的細胞ATP和鈣離子的增加。但是，NAD+/ NADH和NADPH的變化更為複雜。胰腺β細胞在葡萄糖刺激後出現了持續幾分鐘的意外瞬態：高葡萄糖誘導了NADH以及NADPH的瞬時降低。這些現象很難用現有的β細胞糖誘導的胰島素釋放的刺激-分泌耦聯機制來解釋，需要進一步的研究來闡明。


本文第一作者為美國維吉尼亞大學醫學院的張駪博士後。本研究的通訊作者為美國維吉尼亞大學醫學院和化學系的艾輝旺 （Hui-wang Ai）教授。該課題組一直專注開發新型的遺傳編碼生物傳感器。研究的目標是在生理相關環境中以出色的空間解析度和分子精度實時監測生物信號，並最終將這些新探針應用於活細胞和齧齒動物模型，以了解更多與糖尿病，認知和行為以及神經系統疾病相關的機制。課題組歡迎感興趣的博士生和博士後申請者。

課題組信息：https://med.virginia.edu/ai-lab/


原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41589-020-0641-7


製版人：十一

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    （圖片來源：www.nobelprize.org）綠色螢光蛋白(green fluorescent protein, GFP)是一種示蹤物，基於GFP的光學成像技術讓我們可以直接觀察到從微觀到宏觀各個層次上豐富多彩的生命現象。
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