旋转中的光影：从趣味到科学
你是否想过，旋转能否发光？这个问题听起来像魔术表演的桥段，却隐藏着科学的奥秘。荧光蛋白因其在细胞生物学和医学研究中的不可替代性而备受关注，尤其是经典的绿色荧光蛋白（GFP）。但光的故事并未止步于此。
北京大学LIU Tao实验室与中国地质大学LOU Xiaoding实验室联合开展的最新研究，为我们揭示了一种新的人工荧光蛋白设计路径，借助分子转子结构，实现了荧光蛋白的全新升级。这篇文章以“Designing artificial fluorescent proteins and biosensors by genetically encoding molecular rotor-based amino acids”为题，最近发表在《Nature Chemistry》上，打开了分子转子在荧光研究领域的大门。
背景溯源：从荧光蛋白到分子转子
荧光技术因其非侵入性和高灵敏度，已成为揭示细胞生物学过程的核心工具。自20世纪发现GFP以来，科学家通过蛋白质融合策略，用荧光标记来研究蛋白的定位、相互作用和活性。然而，这种传统方法有其局限性，例如标记的体积较大，可能会干扰目标蛋白的功能。
GFP的荧光来源于其独特的4-羟基苯亚甲基-咪唑啉酮（HBI）荧光团。HBI在溶液中几乎不发光，但在GFP的β桶状结构中，由于分子运动被限制，能发出强烈的荧光。这种“开关式”荧光特性正是HBI被称为“分子转子”的关键。
近年来，合成类似HBI的分子并将其应用于RNA适配体或靶标蛋白的研究屡见成果。然而，传统的荧光探针仍面临选择性不足、定位不精准等难题。那么，有没有可能直接从荧光蛋白的天然荧光团中汲取灵感，将其融入其他非荧光蛋白，从而不依赖额外标记实现荧光呢？
创新亮点：分子转子氨基酸的设计与应用
在这项研究中，作者借助扩展遗传密码技术，设计了一系列非天然氨基酸，称为分子转子氨基酸（FMR-AAs）。这些FMR-AAs模仿了GFP的HBI化学结构，但具有独特的分子转子特性。通过将这些氨基酸特定位点引入目标蛋白，科学家成功赋予了非荧光蛋白以强荧光，开创了一种无需蛋白融合或染料修饰的新型人工荧光蛋白构建方式。
主要成果一：人工荧光蛋白的构建
研究团队通过合成化学与遗传工程相结合，将FMR-AAs整合到非荧光蛋白中。令人惊讶的是，这种策略不仅适用于大多数蛋白质，还可以在小至7kDa的蛋白中实现亮度激活。这一突破性进展极大地拓宽了荧光蛋白的适用范围。
主要成果二：新型荧光探针的开发
FMR-AAs对环境粘度或蛋白折叠状态的变化具有高度敏感性，因此可以用作荧光探针。研究团队利用这一特性，设计了用于监测蛋白质相互作用和检测蛋白构象变化的传感器。实验结果表明，无论是体外还是活细胞中，这些传感器都表现出了高灵敏度和信噪比。
展望与意义：点亮分子世界的新方式
通过模仿GFP荧光团的化学本质，这项工作提出了一种从任何目标蛋白生成人工荧光蛋白的通用方法。这种方法以最小改动实现了荧光功能的赋予，具有以下重要意义：
生物学研究新工具：能够实时追踪蛋白质相互作用与动态过程。
多功能传感器开发：为生物医学检测和药物筛选提供高效工具。
分子工程新方向：推动荧光分子设计从标记依赖型向功能集成型转变。
这项研究不仅开辟了荧光蛋白与传感器设计的新路径，也展现了扩展遗传密码技术在合成生物学中的无限潜力。未来，分子转子氨基酸的广泛应用或许将点亮更多分子层面的奥秘。
