生物传感器的可编程基因平台,刚登Science Advances!

基因编码传感器通过将分子水平的事件与可检测信号（最常见为荧光信号）关联，彻底改变了团队对活细胞内生物现象的可视化研究能力。基于通用适配的生物分子传感器工程策略的发展，荧光基因指示探针工具库得到了快速拓展，目前已包含数百种可监测各类细胞活动的传感器。

例如，蛋白质环排列改造、以及用于福斯特共振能量转移（FRET）的模块化蛋白对定向进化技术，为基于绿色荧光蛋白（GFP）等保守报告支架的基因指示探针的系统化工程改造，提供了通用、可拓展的策略。

尽管荧光指示探针对细胞成像产生了革命性影响，但其在整体生物成像中的应用，仍受限于生物组织固有的光散射和光吸收特性，这一局限性成为阐明体内生理和病理机制、监测疾病进展、追踪细胞与基因治疗效果的重大障碍。

突破这一限制，需要生物成像领域的概念性革新——既要借鉴基因传感器工程原理的优势（即可拓展性和多功能性），又要整合对光致密的深部组织的穿透能力。

在深部组织成像技术中，磁共振成像（MRI）的性能无可匹敌：其可对大体积组织生成高分辨率断层图像，并呈现精细的解剖学细节。关键的是，MRI无需使用电离辐射，而是利用可穿透组织的射频波，激发在强磁场中极化的水质子以产生信号。然而，作为生物分子成像技术，与光学成像相比，MRI存在一个显著局限：缺乏将分子事件与基因编码造影信号关联的通用传感器工程策略。

因此，开发MRI基因指示探针通常需要针对每个细胞靶标，开展耗费大量资源和时间的蛋白质工程改造；而MRI本身固有的低通量特性进一步加剧了这一挑战，阻碍了基于文库的蛋白质工程方法（如定向进化）的直接应用。

由此，MRI基因指示探针的种类依然十分有限——据团队所知，仅能检测4~5种分析物。相较于荧光成像拥有的数百种基因指示探针，这一缺口尤为突出，尤其是两种成像技术的报告探针几乎在同一时期诞生。

近期研究证实，水通道蛋白（一类水分子通道）可作为基因编码的MRI造影元件：其能安全地介导细胞内外水分子的快速交换，进而产生可被MRI检测的造影信号。这一机制使得经基因工程改造过表达水通道蛋白的细胞，可通过监测水分子运动的标准MRI技术实现检测。扩散加权成像（DWI）就是这类技术之一：该技术通过施加由自定义时间间隔分隔的脉冲磁梯度场，使MRI信号强度对该时间间隔内水分子的热运动位移产生敏感性。

细胞内水分子的扩散系数可通过定量计算（原文公式缺省）；通过扩散加权成像，过表达水通道蛋白的细胞因具有更高的水分子扩散系数，可轻松与野生型细胞区分——野生型细胞的内源性水通道蛋白表达水平通常较低。

水通道蛋白具有紧凑的基因片段（单基因，小于1千碱基对）、高检测灵敏度和自主造影机制，是拓展MRI兼容型基因传感器种类的理想支架。为验证这一构想，加州大学圣巴巴拉分校的Arnab Mukherjee团队对水通道蛋白进行基因工程改造，使其可被病毒蛋白酶激活；这类蛋白酶与哺乳动物蛋白质组无交叉反应（正交性），且经过蛋白质工程和合成蛋白酶调控电路的开发，已成为检测多种生物分子输入信号的成熟可编程单元。

团队建立了两种独立的机制，实现蛋白酶对水通道蛋白介导的MRI信号的调控：一是水通道蛋白的稳定化，二是将其从内质网向细胞膜的细胞内定向运输；基于此开发出一个可编程的、基于蛋白酶的生物工程平台，用于构建MRI传感器，并将其命名为基于水通道蛋白的模块化蛋白酶激活型增强报告探针（MAPPER）。

通过系统化的连接肽工程改造，团队对MAPPER进行了优化，使其实现了高倍数的激活效率，并证实了其模块化特性、组合适配能力，以及在多种细胞类型中的功能有效性。团队将该策略成功应用于多种MRI基因指示探针的构建，可检测的靶标包括病原性酶、小分子药物、蛋白-蛋白相互作用、生物逻辑门和钙离子——均以蛋白酶作为可重构的乐高式通用核心实现靶标检测，从而无需为不同检测场景定制化设计独立的生物传感机制。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec1211