熒光技術(shù)是分子生物學(xué)研究中的核心工具，尤其是熒光蛋白（如綠色熒光蛋白GFP），憑借其可遺傳編碼性、豐富的色彩變化和出色的穩(wěn)定性，為研究生物分子的定位、相互作用及動態(tài)行為提供了強(qiáng)有力的支持。然而，傳統(tǒng)的熒光蛋白仍面臨一些顯著挑戰(zhàn)：它們的分子體積較大（通常超過20 kDa），需要與目標(biāo)蛋白進(jìn)行末端融合，且可能干擾蛋白的天然功能和定位。此外，傳統(tǒng)的熒光傳感器多依賴于融合標(biāo)記蛋白或熒光染料，這些方法在活細(xì)胞環(huán)境中的適應(yīng)性和信噪比往往不佳，限制了其廣泛應(yīng)用。

針對這些瓶頸，受到熒光蛋白發(fā)色團(tuán)化學(xué)特性的啟發(fā)，北京大學(xué)藥學(xué)院天然藥物及仿生藥物全國重點實驗室劉濤教授團(tuán)隊聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）婁筱叮教授團(tuán)隊設(shè)計了一類熒光分子轉(zhuǎn)子型氨基酸（Fluorescent Molecular Rotor Amino-acid, FMR-AA）。通過結(jié)合遺傳密碼子擴(kuò)展技術(shù)，該團(tuán)隊成功將 FMR-AA 以點突變的形式引入目標(biāo)蛋白。這一全新策略融合了熒光蛋白的可遺傳編碼優(yōu)勢與化學(xué)染料分子的微型化和拓展性，不僅能簡便高效地構(gòu)建各種人造熒光蛋白，還能開發(fā)出高靈敏度的生物傳感器，是生物成像和分子檢測技術(shù)的新突破。相關(guān)研究論文近日發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Chemistry 上。

FMR-AA擁有一種特別的“隱身”能力。在溶液中，它保持非熒光狀態(tài)，一旦進(jìn)入高粘度環(huán)境或折疊成熟后的蛋白質(zhì)中，它便能被激發(fā)出明亮的熒光。因此，該研究團(tuán)隊突破了傳統(tǒng)熒光蛋白的β-桶結(jié)構(gòu)限制，將FMR-AA引入到任意天然蛋白質(zhì)中，并通過蛋白進(jìn)化和篩選，成功獲得了具有和GFP相同熒光原理的全新熒光蛋白。這些人造熒光蛋白在結(jié)構(gòu)和尺寸上展現(xiàn)出多樣性，其中最小的結(jié)構(gòu)僅為 7 kDa。隨后，他們還在細(xì)菌和哺乳動物細(xì)胞中驗證了這些人造熒光蛋白免洗的動態(tài)成像能力，為生物成像技術(shù)打開了新的大門。

經(jīng)典的遺傳編碼熒光蛋白生物傳感器通常依賴于復(fù)雜的構(gòu)建方法，如循環(huán)重排熒光蛋白（Cp-FP）或利用兩個融合熒光蛋白之間的 FRET 效應(yīng)。這些方法往往需要繁瑣的接頭序列篩選和優(yōu)化，耗時且挑戰(zhàn)重重。而 FMR-AA 的微環(huán)境敏感性為生物傳感器的開發(fā)提供了一條簡便且高效的新路徑。該團(tuán)隊利用FMR-AA成功開發(fā)了多種蛋白質(zhì)熒光生物傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測蛋白質(zhì)構(gòu)象變化、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用以及細(xì)胞內(nèi)代謝物的動態(tài)變化。例如，他們將FMR-AA引入到鈣調(diào)蛋白（CaM）的關(guān)鍵位點，經(jīng)過簡單的改進(jìn)和優(yōu)化，成功構(gòu)建了一種高信噪比、快速響應(yīng)的鈣離子傳感器。這款傳感器能夠在哺乳動物活細(xì)胞中實時監(jiān)測鈣離子濃度的動態(tài)變化。利用這一通用策略，該團(tuán)隊還設(shè)計了可以靈敏檢測葡萄糖、GTP和谷氨酰胺濃度的熒光傳感器，拓展了FMR-AA在生物檢測中的應(yīng)用。此外，該團(tuán)隊還展示了FMR-AA作為動態(tài)探針檢測蛋白質(zhì)相互作用的獨特能力。還展示了FMR-AA用作檢測蛋白質(zhì)相互作用的動態(tài)探針的能力。他們將FMR-AA引入到 FRB 和 FKBR 這兩種經(jīng)典的相互作用蛋白的結(jié)合界面，通過熒光信號的變化實現(xiàn)了對這兩種蛋白質(zhì)相互作用過程的實時監(jiān)測。該方法在體外抗原抗體相互作用和活細(xì)胞水平蛋白質(zhì)互作上均表現(xiàn)出極高的靈敏度，為分子生物學(xué)中的蛋白質(zhì)互作研究提供了更為精確和高效的檢測手段。

綜上所述，該研究在技術(shù)上突破了傳統(tǒng)熒光蛋白和生物探針開發(fā)方法的局限，展現(xiàn)了小型化、靈活性和簡便性的優(yōu)勢，同時具有廣泛的適用性和優(yōu)異的信噪比，尤其在活細(xì)胞動態(tài)觀測中表現(xiàn)出色。這項技術(shù)不僅推動活細(xì)胞成像、生物分子互作研究及代謝物檢測等領(lǐng)域的發(fā)展，還為分子可視化工具的定制化開發(fā)開辟了新的方向。隨著技術(shù)的不斷完善，F(xiàn)MR-AA有望為揭示復(fù)雜生命過程提供更加高效、易用的研究工具，為生命科學(xué)研究帶來新的突破。

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