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西湖大學(xué)最新成果：NeIle、Thyone新型熒光傳感器，監(jiān)測(cè)細(xì)胞研究動(dòng)態(tài)

發(fā)布時(shí)間：2024/11/18 10:22:01編輯：Ma Liang
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基因編碼的熒光指示劑是用來(lái)研究活細(xì)胞內(nèi)部工作的專用工具。這些傳感器就像微小的發(fā)光標(biāo)記物一樣，可以被引入到活細(xì)胞內(nèi)的特定位置，通過(guò)熒光顯微鏡，實(shí)時(shí)地了解細(xì)胞的活動(dòng)。通過(guò)利用蛋白質(zhì)工程和基因編碼，研究人員可以個(gè)性化設(shè)計(jì)生物傳感器，在不損害細(xì)胞的情況下，監(jiān)測(cè)廣泛的生理過(guò)程。

Kiryl Piatkevich團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)新型的熒光生物傳感器，以實(shí)現(xiàn)新的生物學(xué)應(yīng)用。2024年10月，Kiryl Piatkevich團(tuán)隊(duì)與俄羅斯莫斯科國(guó)家研究中心"庫(kù)爾恰托夫研究所"的Fedor Subach和美國(guó)底特律韋恩州立大學(xué)的Alice Walker合作發(fā)表的兩篇最新論文中分別報(bào)道了名為NeIle和Thyone的新型實(shí)用生物傳感器，它們給細(xì)胞內(nèi)關(guān)鍵生化成分的研究帶來(lái)了新的突破。

NeIle側(cè)重于對(duì)蛋白質(zhì)合成和代謝所必需的支鏈氨基酸的可視化研究，而Thyone首次實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物細(xì)胞中硫酸根離子動(dòng)態(tài)的可視化，這對(duì)許多生理功能的研究至關(guān)重要。這些傳感器代表了生物學(xué)研究的重要突破，為科學(xué)探索和潛在的治療方法開辟了新的途徑。

Nelle: 揭示氨基酸動(dòng)力學(xué)NeIle是一種新型的熒光傳感器，專門用于檢測(cè)和可視化活細(xì)胞內(nèi)的支鏈氨基酸(BCAAs)，如異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸。BCAAs對(duì)蛋白質(zhì)合成和代謝至關(guān)重要，相比于復(fù)雜和昂貴的傳統(tǒng)方法，使用NeIle檢測(cè)更加簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。

運(yùn)用先進(jìn)的蛋白質(zhì)工程技術(shù)，NeIle結(jié)合了高亮度熒光蛋白與細(xì)菌蛋白，極大地提升了BCAAs檢測(cè)的亮度和動(dòng)態(tài)范圍。該傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞內(nèi)BCAAs分布和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)洞察，有助于研究人員理解細(xì)胞代謝和大腦功能。例如，Kiryl Piatkevich實(shí)驗(yàn)室的研究人員能夠使小鼠神經(jīng)元中BCAAs梯度的空間分布可視化，并發(fā)現(xiàn)與細(xì)胞質(zhì)相比，線粒體中含有更高濃度的BCAAs�，F(xiàn)在，研究人員正準(zhǔn)備使用NeIle生物傳感器來(lái)研究神經(jīng)退行性疾病中的代謝變化。表達(dá)NES - NeIle - mCherry和dMito - NeIle - mCherry的皮層神經(jīng)元的代表性熒光和比率圖像，顯示線粒體中高濃度的BCAAs。

Thyone:?揭示硫酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制Thyone標(biāo)志著另一項(xiàng)重要進(jìn)展，它靶向硫酸根離子，這種離子在哺乳動(dòng)物的多種生理過(guò)程至關(guān)重要，與多種疾病的發(fā)生有關(guān)，包括軟骨發(fā)育不良、非綜合征型聽力障礙、先天性聾散發(fā)性甲狀腺腫綜合征以及先天性和早期發(fā)病的孟德爾疾病。盡管硫酸鹽是體內(nèi)第四大陰離子，但其在細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程一直難以可視化。Thyone填補(bǔ)了這一關(guān)鍵空白，使研究人員能夠使用常規(guī)熒光顯微鏡實(shí)時(shí)觀察硫酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。

Thyone由高亮度的綠色熒光蛋白mNeonGreen改造而來(lái)，在硫酸根離子出現(xiàn)時(shí)呈現(xiàn)出明顯的熒光變化，具有高靈敏度，可以檢測(cè)出硫酸鹽濃度的微小變化。Thyone展現(xiàn)了追蹤哺乳動(dòng)物細(xì)胞中由Slc26a2陰離子交換器介導(dǎo)的硫酸鹽流動(dòng)的能力，使研究人員能夠研究陰離子交換器的細(xì)胞功能。

對(duì)Thyone與硫酸根離子結(jié)合的分子機(jī)制的理解，使得研究人員能夠設(shè)計(jì)出新一代具有超高靈敏度的硫酸鹽生物傳感器。這兩個(gè)傳感器NeIle和Thyone為研究細(xì)胞過(guò)程提供了新的思路。通過(guò)揭示細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的活動(dòng)，它們?yōu)檠芯咳藛T提供了強(qiáng)有力的工具，以更精確和有效地探索生物功能。Kiryl Piatkevich博士表示："我們相信NeIle和Thyone將推動(dòng)細(xì)胞動(dòng)態(tài)研究的突破。"例如，這一進(jìn)展使更多應(yīng)用成為可能：比如可助力開發(fā)更優(yōu)質(zhì)氨基酸生產(chǎn)菌株，改善營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑，并推動(dòng)神經(jīng)生物學(xué)和細(xì)胞代謝的研究。

“Nelle只是個(gè)開始，”Fedor Subach補(bǔ)充道，“我們?yōu)閷?lái)的能夠以更高的精度靶向特定氨基酸的傳感器奠定了基礎(chǔ)。這無(wú)疑將拓寬我們?cè)诳茖W(xué)研究和工業(yè)生物技術(shù)方面的能力。”

NeIle和Thyone的應(yīng)用范圍覆蓋從基礎(chǔ)生物學(xué)研究到工業(yè)生產(chǎn)，如改善農(nóng)業(yè)實(shí)踐和藥物開發(fā)。西湖實(shí)驗(yàn)室期待這些工具賦能研究人員，在學(xué)術(shù)和工業(yè)環(huán)境中推動(dòng)創(chuàng)新。這些傳感器的質(zhì)粒已經(jīng)上傳到由西湖實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)的開放科學(xué)質(zhì)粒庫(kù)WeKwikGene。