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< 材化科研速递④>
近日，中国地质大学（武汉）材料与化学学院娄筱叮教授与北京大学药学院刘涛教授合作，在国际著名学术期刊Nature Chemistry上发表了题为“Designing Artificial Fluorescent Proteins and Biosensors by Genetically Encoding Molecular Rotor-based Amino Acids”的研究工作。Nature Chemistry同期刊登了对该工作的专题介绍。
该工作受到荧光蛋白发色团的化学特性的启发，设计了一类荧光分子转子型氨基酸 （Fluorescent Molecular Rotor Amino-acid, FMR-AA）。通过结合遗传密码子扩展技术，成功将 FMR-AA 以点突变的形式引入目标蛋白。这一全新策略融合了荧光蛋白的可遗传编码优势与化学染料分子的微型化和拓展性，不仅能简便高效地构建各种人造荧光蛋白，还能开发出高灵敏度的生物传感器，是生物成像和分子检测技术的新突破。 它就像是一个内建的警报系统，当蛋白质发生什么有趣的事情时，警报响了。我们没有听到警报声，而是看到了荧光的变化。
FMR-AA拥有一种特别的“隐身”能力。在溶液中，它保持非荧光状态，一旦进入高粘度环境或折叠成熟后的蛋白质中，它便能被激发出明亮的荧光。该工作利用FMR-AA成功开发了多种蛋白质荧光生物传感器，能够实时监测蛋白质构象变化、蛋白质-蛋白质相互作用以及细胞内代谢物的动态变化。 例如，他们将FMR-AA引入到钙调蛋白（CaM）的关键位点，经过简单的改进和优化，成功构建了一种高信噪比、快速响应的钙离子传感器。这款传感器能够在哺乳动物活细胞中实时监测钙离子浓度的动态变化。利用这一通用策略，该团队还设计了可以灵敏检测葡萄糖、GTP和谷氨酰胺浓度的荧光传感器，拓展了FMR-AA在生物检测中的应用。此外，该团队进一步展示了FMR-AA作为动态探针检测蛋白质相互作用的独特能力。他们将FMR-AA引入到 FRB 和 FKBR 这两种经典的相互作用蛋白的结合界面，通过荧光信号的变化实现了对这两种蛋白质相互作用过程的实时监测。该方法在体外抗原抗体相互作用和活细胞水平蛋白质互作上均表现出极高的灵敏度， 为分子生物学中的蛋白质互作研究提供了更为精确和高效的检测手段。
该研究在技术上突破了传统荧光蛋白和生物探针开发方法的局限，展现了小型化、灵活性和简便性的优势，同时具有广泛的适用性和优异的信噪比，尤其在活细胞动态观测中表现出色。这项技术不仅推动活细胞成像、生物分子互作研究及代谢物检测等领域的发展，还为分子可视化工具的定制化开发开辟了新的方向。随着技术的不断完善，FMR-AA有望为揭示复杂生命过程提供更加高效、易用的研究工具，为生命科学研究带来新的突破。
中国地质大学（武汉）娄筱叮教授和北京大学药学院刘涛教授和为研究论文的共同通讯作者。该工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金委等项目资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41557-024-01675-x
https://www.nature.com/articles/s41557-024-01677-9
排版 | 李义飞
校对 | 乌兰图嘎
审核 | 白振洋 唐伟
