新型分子传感器在亚细胞水平上追踪能量使用情况

发布时间：2024-06-19 15:24:54 栏目：精选知识

导读 三磷酸腺苷 (ATP) 分子是为所有细胞活动提供能量的基本生化能量单位。现在，由威尔康奈尔医学院和霍华德休斯医学研究所 (HHMI) 珍妮莉

三磷酸腺苷 (ATP) 分子是为所有细胞活动提供能量的基本生化能量单位。现在，由威尔康奈尔医学院和霍华德休斯医学研究所 (HHMI) 珍妮莉亚研究园区的研究人员领导的团队开发并测试了一种高分辨率传感器，用于跟踪细胞和亚细胞区室内 ATP 水平的实时动态。这种新工具代表了对之前 ATP 传感器技术的重大进步，研究人员预计它将加速许多生物研究领域的发展。



研究人员 于 5 月 15 日在PNAS上发表了他们的研究成果，他们通过修改 ATP 结合细菌酶并将其与天然荧光蛋白 GFP 相结合，开发出了这种传感器。由于该传感器由蛋白质制成，因此可以编码在 DNA 中并在目标细胞内产生。研究人员在几项实验中展示了他们的新 ATP 传感器的实用性，其中一项实验以前所未有的细节阐明了单个神经纤维上单个突触的 ATP 使用动态。

“该传感器使我们能够以更高的分辨率观察生物学的基本过程，”该研究的共同通讯作者 、威尔康奈尔医学院三机构生物化学教授蒂莫西·瑞安博士说。

另一位共同通讯作者是 HHMI/Janelia 的高级科学家Jonathan Marvin 博士。

近几十年来，分子生物学和荧光成像技术的进步推动了各种实验性 ATP 传感器的开发。然而，没有一种传感器具备广泛应用所需的属性。相反，ATP 监测仍然主要使用检测细胞中氧气水平变化等替代指标的传感器。这类传感器有其自身的重大局限性，包括它们只能测量大量细胞中的 ATP 使用情况。

新传感器 iATPSnFR2 是 Marvin 博士及其同事几年前开发的直接 ATP 传感器的下一代版本。当它与 ATP 结合时，其形状会发生变化，从而增强 GFP 的荧光。在新版本中，ATP 结合引起的荧光强度增加要大得多，使传感器在非常广泛的 ATP 浓度范围内具有高灵敏度。

该传感器还可以结合第二种荧光分子，该分子具有不同的发射波长，但强度不会因 ATP 结合而改变;这为传感器分子的浓度提供了参考信号，从而能够更准确地读出 ATP 水平及其动态。

在演示实验中，研究小组表明，该传感器不仅可用于跟踪单个细胞中的 ATP 水平，还可用于跟踪不同亚细胞区室中的 ATP 水平，时间尺度仅为数百毫秒。在一组实验中，他们使用该传感器跟踪单个线粒体内的 ATP 水平，线粒体是燃烧氧气以有效为细胞制造 ATP 的微型生化反应器。他们还观察了神经纤维上单个突触的 ATP 水平动态，发现每个突触都有自己独特的 ATP 消耗和消耗模式。

“我们做这些实验主要是为了展示该方法的基本实用性，所以我们没有深入挖掘，”瑞安博士说，他也是威尔康奈尔医学院麻醉学生物化学教授。“但从那时起，我们一直忙于利用它进行深入挖掘，事实证明，它作为我们进行新科学发现的工具非常有用。”