基因编码的荧光指示剂是用来研究活细胞内部工作的专用工具。这些传感器就像微小的发光标记物一样，可以被引入到活细胞内的特定位置，通过荧光显微镜，实时地了解细胞的活动。通过利用蛋白质工程和基因编码，研究人员可以个性化设计生物传感器，在不损害细胞的情况下，监测广泛的生理过程。
Kiryl Piatkevich团队致力于开发新型的荧光生物传感器，以实现新的生物学应用。2024年10月，Kiryl Piatkevich团队与俄罗斯莫斯科国家研究中心"库尔恰托夫研究所"的Fedor Subach和美国底特律韦恩州立大学的Alice Walker合作发表的两篇最新论文中分别报道了名为NeIle和Thyone的新型实用生物传感器，它们给细胞内关键生化成分的研究带来了新的突破。
NeIle侧重于对蛋白质合成和代谢所必需的支链氨基酸的可视化研究，而Thyone首次实现了哺乳动物细胞中硫酸根离子动态的可视化，这对许多生理功能的研究至关重要。这些传感器代表了生物学研究的重要突破，为科学探索和潜在的治疗方法开辟了新的途径。
（Thyone）文章截图
（Nelle）文章截图
Nelle: 揭示氨基酸动力学
NeIle是一种新型的荧光传感器，专门用于检测和可视化活细胞内的支链氨基酸(BCAAs)，如异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸。BCAAs对蛋白质合成和代谢至关重要，相比于复杂和昂贵的传统方法，使用NeIle检测更加简单准确。
运用先进的蛋白质工程技术，NeIle结合了高亮度荧光蛋白与细菌蛋白，极大地提升了BCAAs检测的亮度和动态范围。该传感器实现了对细胞内BCAAs分布和动态运动的实时洞察，有助于研究人员理解细胞代谢和大脑功能。例如，Kiryl Piatkevich实验室的研究人员能够使小鼠神经元中BCAAs梯度的空间分布可视化，并发现与细胞质相比，线粒体中含有更高浓度的BCAAs。现在，研究人员正准备使用NeIle生物传感器来研究神经退行性疾病中的代谢变化。
表达NES - NeIle - mCherry和dMito - NeIle - mCherry的皮层神经元的代表性荧光和比率图像，显示线粒体中高浓度的BCAAs。
Thyone: 揭示硫酸盐的转运机制
Thyone标志着另一项重要进展，它靶向硫酸根离子，这种离子在哺乳动物的多种生理过程至关重要，与多种疾病的发生有关，包括软骨发育不良、非综合征型听力障碍、先天性聋散发性甲状腺肿综合征以及先天性和早期发病的孟德尔疾病。尽管硫酸盐是体内第四大阴离子，但其在细胞内的转运过程一直难以可视化。Thyone填补了这一关键空白，使研究人员能够使用常规荧光显微镜实时观察硫酸盐的转运过程。
Thyone由高亮度的绿色荧光蛋白mNeonGreen改造而来，在硫酸根离子出现时呈现出明显的荧光变化，具有高灵敏度，可以检测出硫酸盐浓度的微小变化。Thyone展现了追踪哺乳动物细胞中由Slc26a2阴离子交换器介导的硫酸盐流动的能力，使研究人员能够研究阴离子交换器的细胞功能。
对Thyone与硫酸根离子结合的分子机制的理解，使得研究人员能够设计出新一代具有超高灵敏度的硫酸盐生物传感器。
这两个传感器NeIle和Thyone为研究细胞过程提供了新的思路。通过揭示细胞内复杂的活动，它们为研究人员提供了强有力的工具，以更精确和有效地探索生物功能。
Kiryl Piatkevich博士表示："我们相信NeIle和Thyone将推动细胞动态研究的突破。"例如，这一进展使更多应用成为可能：比如可助力开发更优质氨基酸生产菌株，改善营养补充剂，并推动神经生物学和细胞代谢的研究。
“Nelle只是个开始，”Fedor Subach补充道，“我们为将来的能够以更高的精度靶向特定氨基酸的传感器奠定了基础。这无疑将拓宽我们在科学研究和工业生物技术方面的能力。”
NeIle和Thyone的应用范围覆盖从基础生物学研究到工业生产，如改善农业实践和药物开发。西湖实验室期待这些工具赋能研究人员，在学术和工业环境中推动创新。这些传感器的质粒已经上传到由西湖实验室运营的开放科学质粒库WeKwikGene。
所有质粒均可通过以下链接免费获取：
https://wekwikgene.wllsb.edu.cn/plasmids?search=neile(NeIle) ；https://wekwikgene.wllsb.edu.cn/plasmids?search=thyone (Thyone).
WeKwikGene是中国第一个质粒库，由Piatkevich博士发起，由西湖实验室资助。所有质粒都经过严格的质量控制和测试。在网站上，您可以找到每个质粒的完整序列，同时它提供了用户友好的体验，支持用户帐户和实验室页面的创建，并提供了增加科学工作可见性的机会。WeKwikGene保证高质量质粒的快速和免费传递，以支持和促进开放科学。
Kiryl Piatkevich博士为论文通讯作者之一。本研究资助基金包含：中国国家自然科学基金、2020 BBRF大脑和行为研究基金会青年科学家基金和浙江省“尖兵”和“领雁”研发计划等。
Kiryl Piatkevich博士的研究方向是研发和设计尖端分子和成像技术，用于分析、控制和修复复杂生物系统，如大脑。设计用于光学记录和操控神经元活动的遗传编码分子工具，以及用于神经元解剖学追踪的荧光探针。这是一个跨学科研究计划，涵盖合成和化学生物学、生物工程、生物化学、生物技术、分子体内成像、神经科学、机器人和细胞生物学等领域。
Kiryl Piatkevich团队将系统地应用其研发的技术来揭示脑紊乱的分子机制并揭示神经编码的基本原理。 (实验室网址：www.piatkevich-lab.com）
原文链接：
https://sls.westlake.edu.cn/NEWS/202411/t20241107_44324.shtml
（Thyone）文章链接：
https://www.nature.com/articles/s42003-024-07020-9
（Nelle）文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.4c01055
