新型生物传感器可照亮活体动物的生理信号

Josiah02

Eric Sc​​hreiter 和 Luke Lavis 认为他们已经找到了解决方案。2021 年，Janelia 小组负责人报告称，他们已经开发出一种方法，将 Schreiter 的工程蛋白质生物传感器与 Lavis 的明亮荧光 Janelia Fluor 染料结合起来。
这些传感器可以追踪不同的生理信号，并用远红光照亮这些信号，理论上，它们可以让科学家对活体动物进行成像，并同时追踪多个生理信号——这是生物成像的两个方面，现有的传感器很难做到这一点。远红光比其他波长的光可以更深地穿透组织，它为科学家提供了一种额外的颜色，除了生物成像中使用的典型色调（如绿色和红色）之外。
“一切都很顺利，一切都很完美，我们很高兴——直到我们尝试在动物身上使用这些传感器，结果几乎完全失败了，”施赖特回忆道。“这有点令人沮丧。”
幸运的是，Helen Farrants 刚刚来到 Janelia 的 Schreiter 实验室进行博士后研究，她接受了重新开发蛋白质生物传感器的挑战，以实现其初衷。
使用 WHaloCaMP 对斑马鱼幼虫的神经活动进行近红外体积成像。图片来源：Farrants 等人。
Farrants 从零开始，创造了一种让工程化蛋白质生物传感器和 JF 染料协同工作的新方法，使团队能够实现测量活体动物生理信号的目标。他们的第一个原理验证传感器被称为WHaloCaMP，可以检测活体果蝇、斑马鱼和小鼠体内的钙信号（细胞通讯的关键部分）。
这项新技术还可用于创建大量传感器，用于追踪其他感兴趣的信号。能够在活体动物中看到这些生理信号可以让生物学家深入了解细胞、组织和器官如何协同工作以发挥重要功能。
“海伦从零开始，从零开始，重建了将染料和蛋白质生物传感器结合起来的整个策略，”施赖特说。“WHaloCaMP 是第一次演示，但不会是最后一次。它确实将成为该领域一种新的总体策略，用于制造荧光生物传感器来成像生理学，特别是在远红光领域。”
开辟新道路
Farrants 和团队必须克服的主要障碍是找到一种不同的方法让蛋白质生物传感器和 JF 染料协同工作。
该团队制造的第一批传感器依赖于染料，染料会改变其形态并发出荧光。然而，这些染料无法进入动物组织——当团队尝试在活体动物身上使用该传感器时，这个问题变得显而易见，因为无法检测到任何信号。
经过一年多尝试不同的策略后，Farrants 想到使用传感器蛋白的特定部分来打开和关闭荧光，而不是通过改变染料的形式。该团队将一种名为色氨酸的氨基酸添加到靠近附着染料的生物工程蛋白质传感器中。当染料与色氨酸紧密接触时，染料会关闭。在钙的存在下，蛋白质会改变形状——色氨酸会远离染料，染料就会打开。
“一年半以来，什么都没起作用，但我记得我进行这种色氨酸改变的那一天，当我添加钙时，我看到了荧光的微小变化。我知道我们至少有一个起点——我们有一个钩子，”法兰茨回忆道。
看到信号
使用色氨酸来调节染料的荧光，使得染料能够容易地被组织吸收并用于活体动物。
研究人员表示，WHaloCaMP 可用于检测活体果蝇、斑马鱼和小鼠的钙信号。他们还表示，WHaloCaMP 可与其他传感器一起使用，使用不同颜色同时检测多达三种信号。在斑马鱼中，他们表示，WHaloCaMP 可同时检测细胞中的葡萄糖变化、肌肉中的钙信号以及神经元中的钙信号。
该团队目前正在与 Janelia 的 GENIE 项目团队合作开发 WHaloCaMP 的改进版本。他们还与 Janelia 的生物学家合作，利用新策略开发用于检测其他生理信号的传感器，并使用额外的 JF 染料制造传感器。该团队还向更广泛的研究界公开了他们构建生物传感器的策略，其他团体也已开始开发其他版本的传感器。
法兰茨说，如果没有珍妮莉亚研究所的互动与合作，这个项目就不可能实现，正是这种互动与合作让她和其他化学家能够制造出生物学家所需要和想要的工具。
“我真的很喜欢摆弄东西和制作工具，但如果我知道我所制作和摆弄的东西有应用，有人会关心，我认为这才是有趣和有意义的，”Farrants 说。“这就是我喜欢 Janelia 的原因：你可以每天与人互动。在更广泛的科学界也是如此，但 Janelia 是一个特别的地方。”