科學家開發出不同熒光壽命蛋白變體

科技日報記者 劉園園

記者23日獲悉，西湖大學理學院張鑫教授團隊通過調控熒光蛋白的發光時間（即熒光壽命），開發出具有不同壽命的熒光蛋白變體。相關研究成果日前刊發於《細胞》期刊。

1962年，日本科學家發現綠色熒光蛋白。此後，科學家通過改造熒光蛋白開發出藍、青、黃、紅等一系列熒光蛋白變體。然而，科學家在研究複雜生命活動時，需要同時追蹤多種生物分子，但熒光蛋白的色彩畢竟有限，而且不同熒光信號間容易“串色”干擾，難以分辨。張鑫團隊注意到，除了顏色屬性外，熒光分子還存在“熒光壽命”這一獨特屬性。

“與普通光不同，熒光需要先被一束激發光照射才能發出。”張鑫介紹，這束光提供能量，讓熒光分子中的電子“躍遷”到能量更高的激發態。但電子趨向於從高能量狀態回到穩定基態。

在此過程中，電子可通過兩種方式回到基態：一是通過發射光子的形式輻射能量，發出熒光，即輻射躍遷；二是通過與其他分子碰撞等方式轉移能量，即非輻射躍遷。熒光壽命，指電子在激發態“停留”的平均時間。這個時間通常在納秒級別（1納秒等於十億分之一秒），是每種熒光分子獨有的“身份特徵”。

為調控熒光蛋白的熒光壽命，研究團隊嘗試對髮色團周圍的氨基酸進行“飽和突變”——將其隨機替換為其他19種氨基酸。

經過數萬個突變體的高效篩選，他們最終獲得了一批熒光壽命顯著差異的熒光蛋白突變體。來自同一個模板的突變體，其激發條件和發光顏色都沒有改變，只是壽命不同。張鑫團隊將這類新型熒光蛋白命名為“時間分辨熒光蛋白”。

“我們計算發現，壽命更短的突變體，往往具有更快的非輻射躍遷速率。”張鑫解釋道，也就是説，它們通過“不發光”的方式更快地釋放了能量。這表明，突變主要是通過影響非輻射躍遷來調控熒光壽命。

基於上述研究，張鑫團隊成功構建出包含28個不同熒光壽命突變體的“彩虹”工具庫。這一研究成果有望大大拓展科學家在活細胞內進行即時、動態、多靶標觀測的能力，為理解生命複雜體系提供強大的技術平台。