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荧光蛋白是生物学和医学研究中不可缺少的工具。荧光团通常由初级氨基酸序列编码，在蛋白质折叠时形成荧光分子转子结构。
2024年11月28日，北京大学刘涛、中国地质大学娄筱叮共同通讯在Nature Chemistry（IF=19.2）在线发表题为“Designing artificial fluorescent proteins and biosensors by genetically encoding molecular rotor-based amino acids”的研究论文。该研究设计了一组具有这种分子转子结构的荧光非规范氨基酸-称为荧光分子转子氨基酸(FMR-AAs) -类似于天然荧光蛋白荧光团。该研究通过扩展的遗传密码将FMR-AAs结合到靶蛋白中，将它们作为编码的荧光团类似物在受限的蛋白质微环境中使用，从而很容易将各种非荧光蛋白转化为人工荧光蛋白。还在选定的蛋白质中使用FMR-AAs作为敏感的荧光探针，用于监测蛋白质之间的相互作用，并检测蛋白质在体外和活细胞中的构象变化。这种方法能够产生人工荧光蛋白和开发生物传感器，对潜在的任何感兴趣的蛋白质进行微小的修饰。基于荧光的技术在阐明细胞生物学过程中起着至关重要的作用，包括生物分子的定位、相互作用和活动，以非侵入性的方式。值得注意的是，自从绿色荧光蛋白（GFP）被发现以来，荧光蛋白（FP）相关策略已被广泛应用于体外和体内蛋白质功能和结构的研究。然而，由于将FPs与目标蛋白（POI）融合所造成的某些限制限制了它们的广泛应用。GFP独特的绿色荧光来自于蛋白质折叠过程中翻译后形成的4-羟基苄基-咪唑啉酮（HBI）荧光团，并被限制在GFP β-barrel中。值得注意的是，HBI溶解在溶液中时几乎是无荧光的，这主要是由于扭曲分子内电荷转移（TICT）促进了快速的非辐射衰变。然而，当被具有精确形状互补的大分子锁定时，HBI荧光团表现出强烈的荧光，突出了其本质的荧光性质。迄今为止，许多合成的HBI类似物已经被设计并应用于可视化RNA适体和靶蛋白。例如，Jaffrey和同事率先采用RNA适配体来模拟GFPs，它选择性地与荧光化合物DFHBI（3,5-二氟-4-羟基苄基咪唑啉酮）结合，并触发其荧光。同样地，Baker和他的同事们通过计算设计了一个专门为DFHBI量身定制的人造β-barrel，产生了相当大的荧光增强。从本质上讲，HBI和DFHBI都是荧光分子转子（FMRs），以其对粘性溶液或受限生物环境的反应性而闻名。荧光ncAA（pAPCF）的设计、表征和遗传编码（图源自Nature Chemistry）FMRs的一个引人注目的特点在于它们的荧光特性，这种特性不是固有的，而是可切换的。迄今为止，荧光探针由于其可切换的荧光和高信噪比（SNRs）而被广泛使用，使其能够作为生物传感器监测活细胞中的蛋白质聚集，与适体合作检测特定底物，并通过匹配特定蛋白质构象来揭示目标蛋白。尽管如此，现有的荧光探针遇到了一些限制，如标签蛋白融合的必要性、有限的选择性和在特定情况下定位不准确。受到荧光蛋白发色团的化学特性的启发，研究人员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，团队成功将 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。随着FMR-AAs的设计和发展，这类荧光ncAAs将有助于创建量身定制的FPs，并加强分子可视化和研究的可用工具库。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41557-024-01675-x
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