Designing artificial fluorescent proteins and biosensors by genetically encoding molecular rotor-based amino acids

通过遗传编码分子转子基氨基酸设计人工荧光蛋白和生物传感器

论文信息：Hu L, Cao W, Jiang Y, Cai W, Lou X, Liu T. Designing artificial fluorescent proteins and biosensors by genetically encoding molecular rotor-based amino acids. Nat Chem. 2024 Dec;16(12):1960-1971. doi: 10.1038/s41557-024-01675-x. Epub 2024 Nov 28. PMID: 39609529.

主讲人：张嘉欣,2025年7月13日

研究背景： 

  荧光技术是分子生物学研究中的核心工具， 尤其是荧光蛋白 （如绿色荧光蛋白 GFP），凭借其可遗传编码性、丰富的色彩变化和出色的稳定性，为研究生物分子的定位、相互作用及动态行为提供了强有力的支持。然而，传统的荧光蛋白仍面临一些显著挑战：它们的分子体积较大（通常超过20kDa），需要与目标蛋白进行末端融合，且可能干扰蛋白的天然功能和定位。此外，传统的荧光传感器多依赖于融合标记蛋白或荧光染料，这些方法在活细胞环境中的适应性和信噪比往往不佳，限制了其广泛应用。针对这些瓶颈，该研究团队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，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。

研究意义与目的：

  解决传统荧光蛋白的核心瓶颈，现有荧光蛋白（如GFP）必须依赖β-桶结构才能发光，且需与目标蛋白融合，可能干扰其功能。开发一种普适性方法，能够将任意蛋白质（无论结构类型）直接转化为荧光蛋白。传统的荧光蛋白它们的分子体积较大（通常超过20kDa），需要与目标蛋白进行末端融合，且可能干扰蛋白的天然功能和定位。此外，传统的荧光传感器多依赖于融合标记蛋白或荧光染料，这些方法在活细胞环境中的适应性和信噪比往往不佳，限制了其广泛应用。

研究内容：

 这篇文献报道了一种突破性的荧光蛋白设计策略，通过基因编码分子转子氨基酸（FMR-AAs）实现了人工荧光蛋白的通用化构建。研究团队创新性地设计了一系列基于分子转子结构的非经典氨基酸（如pAPCF），这些氨基酸在自由状态下无荧光，但当被整合到蛋白质的受限环境中时会表现出显著的荧光激活特性。

研究首先通过理性设计和定向进化，成功将FMR-AAs定点插入多种蛋白质支架中，包括传统的β-桶结构蛋白（如GFP变体）和非典型结构的蛋白（如α-螺旋为主的Z结构域蛋白）。特别值得注意的是，研究人员构建了仅7kDa的超小型荧光蛋白，突破了传统荧光蛋白必须依赖β-桶结构的限制。

在应用方面，该技术展现了强大的多功能性：作为荧光标记工具，可在不干扰目标蛋白功能的前提下实现特异性标记；作为生物传感器，成功开发了检测葡萄糖（动态范围达1500%）、钙离子等的灵敏探针；实现了蛋白质相互作用和构象变化的实时可视化监测。与现有技术相比，FMR-AAs具有背景荧光低、无需洗涤步骤、响应快速等显著优势。

总结与展望：

 这项研究利用基因编码的荧光分子转子氨基酸（FMR-AAs），将非荧光蛋白改造为人工荧光蛋白。可进一步探讨某类具体应用场景（如神经科学中的突触蛋白标记），可深入展开。

建立多模态成像的标准化方法：通过 MRI 的 r₁弛豫率（4.30 mM⁻¹s⁻¹，高于 Gd-DOTA 1.62倍）与 PET 的定量分析（AD小鼠脑内摄取 1.7±0.62% ID/g），首次实现 “结构-功能-代谢”的多维度数据融合，为AD病理研究提供可重复的技术模板。

提升早期诊断的敏感性与特异性：探针在 AD 小鼠脑内的信号滞留时间比野生型长 2.4 倍，且 S/N 比达 90 倍（ThT仅4倍），可在症状出现前识别微小斑块（检测限11.92nM），为 “无症状期” 干预提供可能。

优化药物研发的评价体系：通过 PET 定量探针与 Aβ 的结合效率，可实时监测抗 Aβ 药物（如单抗）的疗效，例如评估斑块清除速率或微环境变化，缩短药物研发周期。

研究提出的 “QMFluor 整合框架” 首次实现单一探针兼具荧光激活、磁响应及放射性标记功能，其模块化设计思路（亲水-疏水平衡、金属螯合稳定性）为其他神经退行性疾病（如帕金森病）的诊断探针开发提供普适性策略。

研究的核心意义在于将化学探针的分子设计、影像学的时空解析与神经科学的病理需求深度耦合，其构建的不仅是成像工具，更是连接 “分子病理 - 活体动态 - 临床表型” 的桥梁。未来，随着探针进一步优化（如近红外二区波长拓展、治疗性小分子偶联），有望实现AD从 “诊断”到“干预”的一体化，为神经退行性疾病的精准医学提供里程碑式范例。