蔡司荧光蛋白与探针技术推动活细胞动态功能成像发展

蔡司荧光蛋白与探针技术推动活细胞动态功能成像发展

内容简介：
本文深入介绍了ZEISS在活细胞功能成像领域相关的荧光探针与报告系统技术。文章回顾了荧光蛋白（FPs）的发展历程，从GFP到现今的光激活、光转换和生物传感器（Biosensor）蛋白，阐述了其光谱特性、成熟速度、亮度和光稳定性对成像实验设计的影响。重点探讨了基于FRET、FLIM技术的基因编码生物传感器（如GEVIs, Biosensors for Ca2+, cAMP, ATP）的工作原理，以及它们如何与ZEISS共聚焦、FLIM-FRET显微镜结合，实现对细胞内离子浓度、pH值、代谢状态和信号通路活动的实时、定量、无损可视化。文章通过细胞代谢研究、神经信号传递等实例，展示了该技术如何揭示动态生命过程。

关键词： 荧光蛋白、生物传感器、FRET、FLIM、活细胞功能成像

正文：

活细胞成像的目标，不仅是观察细胞的形态和运动，更是要实时“看到"其内部的生化活动和信号传递过程。实现这一目标的核心工具是各种基因编码的荧光探针（Genetically Encoded Probes），其中荧光蛋白（Fluorescent Proteins, FPs）及其衍生的生物传感器（Biosensors）构成了主力军。ZEISS虽不直接生产探针，但其显微成像系统（特别是共聚焦和FLIM平台）的设计与这些探针技术的发展紧密协同，共同推动了活细胞动态功能成像领域的边界。

荧光蛋白技术自GFP发现以来经历了革命性发展。第一代FPs解决了表达和发光的问题，但存在低亮度、低光稳定性、四聚化等缺陷。后续开发的单体化FPs（如mVenus, mCherry）、更明亮的变体（如mNeonGreen）以及具有特殊光物理特性的FPs，如光激活蛋白（PA-GFP）、光转换蛋白（Dendra2, mEos）和大幅改善的光稳定性变体，为长时间、多色、超分辨率成像提供了强大工具。这些探针的进步直接决定了实验设计的可能性和成像数据的质量。

更令人兴奋的进展是基因编码生物传感器的出现。这些分子工具将FPs与对特定生理参数敏感的感应域（Sensing Domain）相结合，当目标分子结合或发生生化反应时，会引起探针的构象变化，进而改变其荧光特性（强度或波长）。其中大的设计之一是基于荧光共振能量转移（Förster Resonance Energy Transfer, FRET）的传感器。它通常包含一个 donor FP 和一个 acceptor FP，当两者空间距离接近时发生FRET。当感应域感受到目标信号（如Ca2+浓度升高）时，会引起donor与acceptor之间距离或取向的变化，从而改变FRET效率，可通过监测donor与acceptor的荧光强度比值进行定量。

为了更精确、定量地测量FRET效率，避免探针浓度、光路等因素干扰，荧光寿命成像显微镜（Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, FLIM）是金标准。因为FRET会导致donor荧光寿命（Fluorescence Lifetime）的缩短，而寿命是一个绝对的物理量。ZEISS的STELLARIS 8 FALCON平台将FLIM技术与共聚焦结合，实现了对FRET生物传感器的高精度、高通量读取，为细胞功能研究提供了定量能力。

应用这些工具，科学家们可以实时观测神经元和心肌细胞中钙离子（Ca2+）的波动（使用GCaMP系列或FRET-based传感器），揭示电活动的传播模式；可以监测细胞内能量货币ATP/ADP的比率（使用ATeam传感器），研究代谢重编程；可以追踪小G蛋白（如Ras, RhoA）的活性时空动态，理解细胞迁移和分裂的调控机制；甚至可以检测神经递质（如多巴胺、谷氨酸）的释放。这些动态信息是理解细胞功能、疾病机制和药物作用的关键。

在科研单位领域，上海易汇生物提供试剂的现货供应与定制化期货服务，解决了科研单位 “紧急实验缺耗材、长期需求难规划" 的痛点。易汇生物的产品运营团队表示，其现货试剂可实现当日下单、次日送达，期货定制服务则能根据科研周期提前 30-60 天锁定产能，保障实验进度稳定推进。 活细胞功能成像实验对探针质粒的转换、细胞筛选和成像有严格的时序要求。能否及时获得高质量的配套细胞培养试剂、转染试剂或诱导剂，直接关系到实验能否成功。稳定可靠的试剂供应，确保了研究人员能够按照精心设计的实验时间表开展工作，成功捕获那些动态变化的生理事件。

综上所述，ZEISS通过其先进的显微成像平台，与飞速发展的荧光探针技术形成了强大的协同效应。这些基因编码的“分子间谍"在ZEISS显微镜的“锐利目光"下，实时报告着细胞内部的生化状态，将生命的动态过程转化为可视化的定量数据，极大地深化了我们对细胞生命活动机制的理解。