生物发光是某些生物体中固有的化学反应，导致像萤火虫发光和水母发光这样的现象。研究人员一直渴望利用这些生物的发光基因，以便在脊椎动物中复制类似的效果，以满足各种生物医学用途。
加州大学圣克鲁兹分校生物分子工程助理教授安迪·耶正在创造完全人工的发光蛋白。这些蛋白旨在提供一种非侵入性的方法，用于生物成像、诊断活动、药物发现和其他应用。最近在著名期刊《化学》中发表的一篇文章展示了耶和他的团队开发的一组新型生物发光蛋白，这些蛋白紧凑、高效、稳定性高，能够在细胞和动物研究中实时产生不同颜色的光。
这一创新领域被称为“去新蛋白设计”，最近使包括大卫·贝克——耶的博士后导师在内的一组科学家获得2024年诺贝尔化学奖。本文讨论的生物发光蛋白是使用贝克研究小组开发的蛋白设计深度学习软件和DeepMind开发的蛋白结构预测技术进行工程设计的，后者的创始人也分享了诺贝尔奖的荣誉。
“我们称之为去新蛋白设计，因为这些蛋白是从头开始设计的，没有任何自然对应物或过去的进化路径。我们展示了使用最近获得诺贝尔奖的概念来创造新的发光酶，这些酶作为生物研究的光学探针，”耶解释道。
超越荧光的增强成像探针
许多科学家和医疗专业人员利用荧光成像技术更好地理解疾病并支持药物发现等目的。基于荧光的探针依赖外部光来照明。当这种光照射到组织时，每个细胞都会反应，导致过多的背景光，使得研究人员或临床医生关注的内容变得复杂。
相比之下，生物发光成像不需要外部激发，其整个光发射过程发生在化学反应级别。生物发光不会产生背景光干扰，使其在检测可能位于组织深处的特征（如肿瘤）方面显著更有效。
这篇出版物确认了团队的发光蛋白在分子、细胞和整体动物水平上有效运作，增强了它们在各种科学研究中的适用性。它们特别适合于非侵入性体内成像，因为它们可以在不需要从生物体中去除样本的情况下实时提供深入组织的生物过程的见解。
观察多种生物现象
这些特殊制造的蛋白被描述为“正交”。它们的反应中心经过精心设计，以适应构建的发光分子，确保这些设计酶不会与研究人员或临床医生同时使用的其他相似化合物发生相互作用。
“设计的反应特性使其能够与现有的发光酶集成，因为这种酶识别的是不同的分子，”耶指出。“研究人员已经广泛利用自然发光酶进行生物研究，我们并不想彻底改变这一点。相反，我们正在开发有效的额外工具，能够补充科学界熟悉的生物发光资源。”
耶的团队还设计了一种改变发光颜色的技术。尽管这些酶通常发出蓝光，但他们已经通过有效的能量转移过程使其能够发出绿色、黄色、橙色和红色。这一进展允许研究人员或临床医生同时观察多种生物特点，这种方法被称为“多重化”，对于研究复杂过程如癌症进展至关重要。
去新蛋白设计的曙光
这些去新蛋白表现出高温稳定性，这意味着它们在高温下能够保持其结构，不像某些自然发生的生物发光酶。稳定的蛋白将简化在现场诊断中的使用，消除对专门低温运输的需求。
“我们现在合成的发光酶具备理想的蛋白折叠，这是自然通过进化并不总是优化的，”耶评论道。“这是我们首次展示人工发光酶可以在脊椎动物中产生足够的光子以用于生物成像目的。计算蛋白设计的方法在不断改进，我们创造的酶也会随之改进。我坚信大卫·贝克所说的：这仅仅是去新蛋白设计的开始。”
