科學家發明簡單高效地將綠色熒光蛋白探針紅移的技術

基于熒光蛋白的生物探針是目前揭示生物體內離子和小分子濃度，以及生物信號網絡的強有力工具。盡管近些年科學家陸續進化出個別基于紅色熒光蛋白的生物探針，大部分現有的生物探針依然只能發出綠色或者黃色熒光。由于黃綠色熒光蛋白激發和發射波長過于靠近，很難實現雙通道熒光監測。

此外，紅色熒光蛋白生物探針相比綠色熒光探針具有較弱的光毒性，更弱的背景熒光以及高光透性等優點。然而，由于紅色熒光探針熒光變化小，在細胞內易聚集，以及存在光轉化等問題，現有的紅色熒光探針普遍在功能上不如其對應的綠色熒光版本。因此開發功能上更好的紅色熒光探針成為熒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氨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。

北京時間2020年9月14日晚23時，美國弗吉尼亞大學 （University of Virginia）艾輝旺 （Hui-wang Ai）課題組在Nature Chemical Biology雜志上發表了題為“A general strategy to red-shift green fluorescent protein based biosensors”的文章，他們將3-氨基酪氨酸（3-amino tyrosine，aY）插入到綠色，黃色，青色熒光蛋白的發色團酪氨酸殘基位置，將原本的熒光發射光紅移近100納米。該課題組進一步將這項技術應用于多種黃，綠色熒光蛋白生物傳感器中，使其熒光發射光紅移以減少其光毒性并實現了多熒光通道多檢測物的同時監測。**作者為美國弗吉尼亞大學醫學院的張駪博士后，通訊作者為美國弗吉尼亞大學醫學院艾輝旺 （Hui-wang Ai）教授。

在該文中，該技術被應用于成功改造5個不同的熒光蛋白和9個熒光生物探針。相比原有的綠色熒光版本，改造后的紅色熒光探針紅移近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熒光探針保留了對應原有的綠色熒光探針的動態范圍，熒光強度，以及靈敏度。

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熒光到紅色熒光到轉化。該技術不需要特殊的實驗條件，并且通用于各種黃，綠色熒光蛋白及生物探針。綜上所述，本文發明了快速，簡單，高效地進化紅色熒光探針的方法。

這一研究進一步將生物傳感器用于胰腺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的變化更為復雜。

胰腺β細胞在葡萄糖刺激后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。