9月11日，美國(guó)化學(xué)會(huì)雜志JACS 在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所王江云研究組的最新研究成果——《基因編碼非天然氨基酸作為光致電子轉(zhuǎn)移探針擴(kuò)展熒光蛋白的傳感性質(zhì)》。該研究利用基因密碼子擴(kuò)展技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在活細(xì)胞中編碼一系列鹵代酪氨酸（3-氯代酪氨酸（ClY）、3,5-二氯代酪氨酸（Cl2Y）、3,5-二氟代酪氨酸（F2Y）、2,3,5-三氟代酪氨酸（F3Y）、2,3,5,6-四氟代酪氨酸（F4Y）），在熒光蛋白中實(shí)現(xiàn)了大分子中的光致電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，基于光致電子轉(zhuǎn)移原理發(fā)展了對(duì)pH及Mn（III）敏感的熒光傳感器。
基因編碼和熒光蛋白傳感器是生物學(xué)研究中的重要技術(shù)手段。在過去的幾十年中，人們已經(jīng)開發(fā)出多種熒光蛋白傳感器，用于監(jiān)測(cè)金屬離子，pH值，第二信使和翻譯后修飾，這對(duì)于解析它們?cè)隗w內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中的作用是至關(guān)重要的。這些熒光蛋白傳感器通常依賴于熒光共振能量轉(zhuǎn)移或者綠色熒光蛋白GFP熒光團(tuán)酚基的質(zhì)子化/去質(zhì)子化來發(fā)揮作用。盡管它們現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用，但是在分析物結(jié)合前后，這些熒光蛋白傳感器的熒光強(qiáng)度變化通常都在兩倍以內(nèi)。相比之下，光致電子轉(zhuǎn)移（photo-induced electron transfer，簡(jiǎn)稱PET）機(jī)制開始越來越廣泛地被引用到熒光傳感器設(shè)計(jì)中來，最重要的原因在于分析物結(jié)合前后，熒光蛋白傳感器可以展現(xiàn)出顯著的熒光強(qiáng)度變化（通常可以增強(qiáng)10至100倍）。PET同時(shí)也是光合作用中的主要反應(yīng)，PET過程廣泛存在于生物系統(tǒng)中，如細(xì)胞色素c氧化酶、核苷酸還原酶、DNA光解酶等，其對(duì)磁感應(yīng)等生物過程也具有非常重要的意義。
該研究將一系列鹵族元素取代的酪氨酸通過基因密碼子擴(kuò)展的手段定點(diǎn)插入到熒光蛋白（iLov2）中，發(fā)現(xiàn)在非天然氨基酸與熒光蛋白發(fā)光中心FMN之間的發(fā)生了快速的光致電子轉(zhuǎn)移，并測(cè)量到電子轉(zhuǎn)移發(fā)生在0.2 納秒。通過熒光檢測(cè)科研人員得到了一系列對(duì)pH具有不同響應(yīng)能力的熒光蛋白突變體，利用該傳感器他們檢測(cè)了細(xì)胞質(zhì)的酸化過程，該傳感器將適用于研究活細(xì)胞中的pH值變化過程。同時(shí)科研人員首次得到了可以基因編碼的對(duì)Mn（III）敏感的熒光蛋白，這將有利于檢測(cè)與生物和環(huán)境相關(guān)的Mn（III）的濃度，為篩選高效的錳過氧化物酶提供了平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)高效的木質(zhì)素降解及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化提供了研究工具。該研究為蛋白動(dòng)態(tài)構(gòu)象變化研究提供了新的研究手段，為利用合成生物學(xué)手段生產(chǎn)可再生能源提供了新的研究思路，為蛋白設(shè)計(jì)提供了新的工具。
該研究得到科技部國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究“973”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的資助。
圖示：基因編碼非天然氨基酸作為光致電子轉(zhuǎn)移探針擴(kuò)展熒光蛋白的傳感性質(zhì)
