開(kāi)發(fā)出單細(xì)胞生物發(fā)光成像系統(tǒng)

螢火蟲(chóng)和水母等發(fā)光生物讓科學(xué)家們很感有趣，這是因?yàn)樗鼈兊纳锇l(fā)光分子有助于可視化觀察大量的生物過(guò)程。來(lái)源于螢火蟲(chóng)的螢光素酶催化底物D-熒光素，從而發(fā)出綠黃色的光。為了讓這種發(fā)光過(guò)程更加高效，已有相當(dāng)多的研究利用合成類(lèi)似物（synthetic analog）替換熒光素和改進(jìn)它們的催化速率。如今，在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自日本理化研究所的Atsushi Miyawaki和同事們?cè)噲D更進(jìn)一步，通過(guò)優(yōu)化螢光素酶和熒光素這兩種組分，構(gòu)建出在體內(nèi)使用的一種全新的經(jīng)過(guò)生物工程改造的生物發(fā)光系統(tǒng)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年2月23日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Single-cell bioluminescence imaging of deep tissue in freely moving animals”。他們利用這種生物發(fā)光系統(tǒng)追蹤小鼠體內(nèi)的癌細(xì)胞和猴子體內(nèi)的腦細(xì)胞活動(dòng)。不過(guò)，它的應(yīng)用遠(yuǎn)不局限于此。

基于之前的研究，這些研究人員已知道一種被稱(chēng)作AkaLumine-HCl的合成熒光素能夠穿透血腦屏障并產(chǎn)生在身體組織中更容易觀察到的紅光。然而，它與天然的螢光素酶不太相容，因此他們讓這種酶發(fā)生突變，從而改善它與AkaLumine-HCl之間的配對(duì)。由此產(chǎn)生的Akaluc蛋白既是一種更加有效的底物催化劑，而且也在細(xì)胞中更加大量地表達(dá)。在小鼠大腦中，Akaluc和 AkaLumine-HCl的這種組合，被稱(chēng)為AkaBLI，它們產(chǎn)生的生物發(fā)光信號(hào)比天然的熒光素酶-熒光素反應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)1000倍。在身體內(nèi)的其他部位，比如在小鼠肺部，僅一兩個(gè)發(fā)光細(xì)胞就足以是清晰可見(jiàn)的，這可能用于監(jiān)控移植細(xì)胞。

通過(guò)將AkaBLI加入到小鼠的飲用水中，就能夠輕松隨意地引入生物發(fā)光，并且最為持久地發(fā)光。不過(guò)，將這些分子注射到小鼠體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生更大的發(fā)光信號(hào)強(qiáng)度。 Miyawaki說(shuō)，“然而，最根本的改進(jìn)是能夠在體內(nèi)開(kāi)展生理研究。”

通過(guò)使用AkaBLI，這些研究人員能夠直接地觀察大腦的活動(dòng)和結(jié)構(gòu)在一段時(shí)間內(nèi)如何隨著行為的變化而變化。在小鼠暴露于熟悉的和新的籠環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)里，他們能夠在多天的時(shí)間里記錄小鼠海馬體中的相同神經(jīng)元。Miyawaki說(shuō)，“這是**次非侵入式地可視化觀察與一種特定學(xué)習(xí)行為相關(guān)的幾十個(gè)位于大腦深處的神經(jīng)元。在狨猴（marmoset monkey）中，這些研究人員能夠利用AkaBLI在一年多的時(shí)間里追蹤大腦深處的神經(jīng)元。 Miyawaki指出，這種穩(wěn)定而持久的生物發(fā)光對(duì)理解自然行為過(guò)程中的神經(jīng)回路的潛力是巨大的。