左側(cè)，應(yīng)用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞的改良熒光素酶產(chǎn)生了一個(gè)酸度 “交通信號燈”：pH 值為 6（紅色）、7（黃色）和 8（綠色）；右側(cè)是 2006 年在巴西圣卡洛斯聯(lián)邦大學(xué)（UFSCar）索羅卡巴校區(qū)發(fā)現(xiàn)的螢火蟲。圖片來源：Gabriel Pelentir 和 Vadim Viviani

一種源自巴西圣卡洛斯聯(lián)邦大學(xué)（UFSCar）索羅卡巴校區(qū)所發(fā)現(xiàn)的螢火蟲體內(nèi)的酶的編碼基因，催生了一種生物傳感器，它能夠檢測哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的 pH 值變化。例如，這在研究疾病以及評估候選藥物的毒性方面可能會(huì)很有用。

來自維氏光螢（Amydetes vivianii）的熒光素酶，在成纖維細(xì)胞（結(jié)締組織中最常見的細(xì)胞類型）中，隨著酸度降低，會(huì)從藍(lán)綠色變?yōu)辄S色和紅色。它以很強(qiáng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性做到這一點(diǎn)，這是該研究小組測試過的其他熒光素酶所無法實(shí)現(xiàn)的。

這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《生物傳感器》雜志上。

熒光素酶是在生物發(fā)光生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的酶，它們通過氧化熒光素（在這個(gè)過程中也必須存在的一種化合物）來產(chǎn)生光。目前正在研究的這種熒光素酶來自于 2006 年由該研究的協(xié)調(diào)人之一、圣卡洛斯聯(lián)邦大學(xué)（UFSCar）生物化學(xué)與生物發(fā)光技術(shù)實(shí)驗(yàn)室協(xié)調(diào)員瓦迪姆・維維亞尼（Vadim Viviani）發(fā)現(xiàn)的一個(gè)物種。他的研究小組在 2011 年克隆了這種酶。

“在細(xì)胞內(nèi)部，pH 值的變化可以指示諸如體內(nèi)平衡、增殖和細(xì)胞死亡等過程。例如，我們的技術(shù)有潛力用于研究疾病或藥物毒性，” 該文章的第一作者、圣保羅天主教大學(xué)（PUC-SP）索羅卡巴校區(qū)醫(yī)學(xué)與健康科學(xué)學(xué)院的凡妮莎・貝維拉夸（Vanessa Bevilaqua）指出。

這項(xiàng)工作是在圣卡洛斯聯(lián)邦大學(xué)（UFSCar）維維亞尼以及圣保羅天主教大學(xué)（PUC-SP）埃利亞娜・杜克（Eliana Duek）所協(xié)調(diào)的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。

該小組測試的其他熒光素酶產(chǎn)生的是偏紅色的光，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞發(fā)揮功能的 36 攝氏度溫度下，顏色變化較小。

“這種新型熒光素酶經(jīng)過了改良，以便在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中更好地表達(dá)。除了光的顏色變化范圍更廣之外，它還具有更高的穩(wěn)定性，并能發(fā)出更強(qiáng)的光（強(qiáng)度）。這項(xiàng)技術(shù)無毒，而且不像熒光（另一種利用光來研究細(xì)胞的方法）那樣依賴外部光源，” 維維亞尼解釋道。

除了使用光檢測相機(jī)捕捉生物發(fā)光圖像之外，該小組的測試還表明，即使使用智能手機(jī)相機(jī)，也能夠拍攝到哺乳動(dòng)物細(xì)胞中熒光素酶發(fā)出的光。

在最初的 30 分鐘內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度很高，然后開始減弱。盡管變?nèi)趿耍�但至少還能持續(xù) 12 個(gè)小時(shí) —— 不過只有使用先進(jìn)的光檢測設(shè)備才能檢測到。

“通過這種方式，就有可能利用光的顏色來指示包括人類細(xì)胞在內(nèi)的細(xì)胞內(nèi)部的 pH 值，并推斷是否存在細(xì)胞應(yīng)激或其他與酸度相關(guān)的效應(yīng)。這是前所未有的，而且是我們完全在巴西開發(fā)出來的成果，” 維維亞尼補(bǔ)充道。

這項(xiàng)工作是由維維亞尼協(xié)調(diào)的 “用于免疫測定、環(huán)境分析和生物成像的生物發(fā)光輸入的開發(fā)” 項(xiàng)目的一部分。

在之前的研究中，研究人員已經(jīng)開發(fā)出利用另一種螢火蟲（大光螢屬，Macrolampis）的熒光素酶來指示細(xì)菌細(xì)胞 pH 值的方法。

然而，當(dāng)在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中進(jìn)行測試時(shí)，大光螢屬熒光素酶發(fā)出的生物發(fā)光非常偏紅，并且隨著 pH 值的變化而變化很小，在 36 攝氏度以上缺乏穩(wěn)定性，降低了對這種細(xì)胞類型所需的效能。

在疫情期間，維維亞尼的研究小組還開發(fā)了一種基于維氏光螢（Amydetes vivianii）熒光素酶的免疫測定法來檢測新冠病毒（COVID-19），當(dāng)這種熒光素酶與新冠病毒（SARS-CoV-2）的抗體接觸時(shí)就會(huì)發(fā)光。

隨著現(xiàn)在這項(xiàng)工作的完成，由圣卡洛斯聯(lián)邦大學(xué)（UFSCar）這位教授領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)擁有了用于生物發(fā)光研究和應(yīng)用的獨(dú)特基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也獲得了對哺乳動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行生物發(fā)光測試的能力。

這將使該實(shí)驗(yàn)室既可以用這種熒光素酶開展新的研究，也能夠測試作為其實(shí)驗(yàn)室收藏一部分的其他熒光素酶，這些熒光素酶是研究人員在 30 多年的時(shí)間里主要從巴西昆蟲身上收集而來的。

“有了這項(xiàng)進(jìn)展，我們開辟了一系列可能性，從用于藥物和化妝品毒性的生物測定，到生物材料對人類細(xì)胞的影響，甚至是研究癌細(xì)胞的新方法，” 貝維拉夸總結(jié)道。

更多信息：Vanessa R. Bevilaqua 等人，《用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞 pH 傳感的新型更亮生物發(fā)光報(bào)告基因和顏色可調(diào)熒光素酶的選擇與工程》，《生物傳感器》（2025 年）。DOI：10.3390/bios15010018

由圣保羅研究基金會(huì)（FAPESP）提供