发光的蛋白质工程创建详细,高分辨率生物医学图像

杜克大学生物医学和遗传工程师和爱因斯坦医学院的设计了一个小型荧光蛋白释放和吸收光穿透生物组织深入。根据近红外(NIR)光谱波长,这种蛋白质可以帮助研究人员获取更深,更清洁、更精确的生物医学图像。

这项工作出现了12月1日在《自然》杂志上的方法。

与光成像深度组织是具有挑战性的。可见光常迅速吸收和分散结构和分子在体内,防止人员组织内看到比一毫米。如果他们做管理进一步调查,如胶原蛋白或黑色素的物质通常泥泞的形象,创造了相当于通过自然荧光背景噪音。

“生物分子自然在可见光谱吸收和发光,大概是350到700纳米,“俊杰说姚明,杜克大学生物医学工程助理教授。“所以当使用图像深层组织,它就像试图观察星星在白天。得到的信号淹没。”

韦德从这些使水域,姚明和他的合作者弗拉季斯拉夫•Verkhusha,阿尔伯特·爱因斯坦医学院的遗传学教授,纽约开发出一种蛋白质,吸收和发射波长的光在近红外(NIR)光谱。

“组织是最透明的近红外光谱在700 - 1300纳米窗口光线,”姚说。“在这些波长,光可以穿透深入组织,因为有更少的自然背景荧光过滤掉,我们可以长时间曝光和获取清晰图像。”

Verkhusha和他的实验室使用这一过程被称为定向分子进化工程蛋白质,通常使用感光细胞中发现的细菌的基础结构。这些感光细胞成像研究非常有用,因为他们可以在无声和活动状态之间切换时冲击与特定波长的光。他们可以结合胆绿素,生物分子出现在大量哺乳动物和人体组织。

“我们研究了胆绿素的结构来确定光感受器如何最佳附着在生物分子,“Verkhusha解释道。“我们理解绑定过程后,我们仔细介绍了关键部件的替换分子连接到胆绿素增加电子绑定,需要获得红移的荧光。最后,我们进行了随机诱变后跟高通量筛查的蛋白质会发展和增加亮度。”

最亮的发现蛋白质,称为miRFP718nano,很容易在细胞和组织生产和外发光的可见范围。虽然NIR激活本身是有益的,发生在最初的前景更加生物医学成像。

“我们已经看到,近红外光谱范围可以分成两个主要区域,”解释姚明。“当近红外光线第一次触及这些蛋白质,它们发出的光在第一区域,约为700 - 900纳米。但当他们腐烂,波长逐渐变长,就像一颗彗星背后的尾巴。当他们开始在第二近红外发光区,这是在900 - 1300纳米。”

在第二区,所有受益于使用波长越短,带一个近红外光谱光增强:光可以穿透更深,组织两次背景荧光明显变暗,和图像分辨率可以清晰的两到三倍,允许复杂的结构的详细图像。

作为一个概念证明,姚明和他的团队在杜克大学使用了一种被称为短波红外成像技术(短波红外成像)来测试新蛋白的功效。这个过程发送NIR一区深入组织的光激活荧光蛋白。蛋白质腐烂,会散发出光NIR二区,提供信息的结构和组成有针对性的组织和细胞,可以翻译成高分辨率图像。

引入工程miRFP718nano蛋白质在动物模型后,该团队使用他们捕捉鼠标消化道的微生物图像可视化小鼠乳腺细胞,甚至跟踪更改在小鼠肝脏炎症。捕获的图像都比图像更清晰,更详细的使用一个标准的NIR一区成像蛋白质。

姚和Verkhusha乐观地认为,他们继续合作将有利于他们的工作在生物医学成像和蛋白质工程。随着Verkhusha继续完善和提高荧光蛋白和生物传感器,姚是兴奋地使用新的工具来可视化大脑更紧密地和潜在追踪癌细胞的运动。

“这是一个令人兴奋的新战线长达10年的合作,因为我们可以使用成像工具指导蛋白质工程决策,我们可以利用先进的蛋白质工程改善成像能力,”姚明说。

参考:马Oliinyk OS, C,纳德普年代,et al。深层短波红外成像使用合理设计小红移近红外荧光蛋白成像。Nat方法。2022:1-5。doi:10.1038 / s41592 - 022 - 01683 - 0

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