量子傳感工具憑借其在探測(cè)精度方面的優(yōu)勢(shì)，成為生物學(xué)研究中極具潛力的工具。然而，現(xiàn)有多數(shù)量子傳感器仍局限于體外體系，面臨靈敏度有限、光穩(wěn)定性不足等調(diào)制，嚴(yán)重限制了它們?cè)诨铙w環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用。近年來，磁敏感蛋白（MFPs）因其可工程化改造和可內(nèi)源性編碼表達(dá)等優(yōu)勢(shì)而被開發(fā)出來，但其在在活體、單細(xì)胞水平中穩(wěn)定可靠的檢測(cè)仍是挑戰(zhàn)性前沿。

近日，牛津大學(xué)Harrison Steel課題組開發(fā)了一類磁敏感熒光蛋白MagLOV。通過定向進(jìn)化可以工程化這些蛋白質(zhì)改變它們對(duì)磁場(chǎng)和射頻的響應(yīng)性質(zhì)。室溫下，MagLOV在活細(xì)胞中表現(xiàn)出光檢測(cè)磁共振，并在單細(xì)胞中仍表現(xiàn)出高信噪比。這種磁效應(yīng)可通過自由基對(duì)機(jī)制解釋，涉及蛋白質(zhì)骨架和結(jié)合黃素輔酶。利用磁效應(yīng)和光探測(cè)磁共振，展示了MagLOV的多種創(chuàng)新應(yīng)用，包括鎖定檢測(cè)的復(fù)用，利用MagLOV進(jìn)行磁共振成像，分子微環(huán)境感測(cè)，為基于量子力學(xué)特性的生物傳感系統(tǒng)開發(fā)提供了新工具集。這項(xiàng)工作以“Quantum spin resonance in engineered proteins for multimodal sensing”為題發(fā)表在《Nature》上。

圖1. MFP中的磁效應(yīng)（MFE）與光探測(cè)磁共振（ODMR）。

作者先前的工作開發(fā)了的磁響應(yīng)熒光蛋白（MFP）變體文庫（也稱MagLOV?2），這些變體表現(xiàn)出具有強(qiáng)磁效應(yīng)（MFEs）的熒光信號(hào)（圖1a）。通過自由基對(duì)模型在機(jī)理上解釋了磁場(chǎng)如何通過影響單重態(tài)/三重態(tài)互變來調(diào)控?zé)晒猓▓D1b）。通過定制的熒光顯微鏡測(cè)量單個(gè)表達(dá)MagLOV2的活細(xì)胞的熒光強(qiáng)度，在10 mT磁場(chǎng)開關(guān)下MagLOV?2具有約50%的顯著變化（圖1c）。對(duì)比單細(xì)胞與細(xì)胞群體（1000個(gè)）的光探測(cè)磁共振（ODMR）信號(hào)表明單個(gè)細(xì)胞水平仍具有約10%的對(duì)比度信號(hào)，通過對(duì)多個(gè)單元進(jìn)行平均，信噪比顯著提升（圖1d）。通過調(diào)整靜磁場(chǎng)時(shí)并記錄ODMR譜，ODMR共振峰發(fā)生線性偏移，并確認(rèn)其驅(qū)動(dòng)電子自旋躍遷（圖1e）。

圖2.MFE與ODMR動(dòng)態(tài)特性的工程化改造。

通過定向進(jìn)化，獲得了MFE飽和幅度更高的MagLOV2和響應(yīng)速度更快的MagLOV2 fast蛋白變體（圖2a）。選擇四個(gè)變體進(jìn)行表征，結(jié)果顯示不同蛋白變體的ODMR對(duì)比度和飽和速率具有顯著差異（圖2b），這表明可以獨(dú)立優(yōu)化不同的性能指標(biāo)，為信號(hào)正交編碼提供了可能。

圖3.光譜表征結(jié)果證明結(jié)合黃素的自由基對(duì)機(jī)制。

通過測(cè)量細(xì)胞中表達(dá)的MFP變體的熒光光譜，其由外磁場(chǎng)調(diào)制的波長(zhǎng)分辨熒光強(qiáng)度與黃素單核苷酸（FMN）的特征發(fā)射光譜相匹配；激發(fā)光譜顯示振動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu)，與AsLOV2 C的吸收光譜高度吻合，這些結(jié)果表明熒光來自結(jié)合的FMN（圖3a-c）。純化MagLOV2蛋白的光照吸收光譜顯示，在藍(lán)光照射數(shù)分鐘后形成了穩(wěn)定的FMNH·自由基（圖3d）。因此，提出了一個(gè)包含光激發(fā)、電子轉(zhuǎn)移、磁場(chǎng)影響自由基對(duì)及最終產(chǎn)物形成的模型（圖3e）。

圖4.基于MFE的多重復(fù)用與鎖定應(yīng)用。

MFP變體庫的MFE和ODMR表征在反應(yīng)率和幅度上存在差異，因此可以利用MFP作為復(fù)用工具，從單一測(cè)量模態(tài)中提取多個(gè)信號(hào)。通過不同MFP變體MFE響應(yīng)動(dòng)力學(xué)（τ）的差異，利用機(jī)器學(xué)習(xí)分類器成功識(shí)別和分解預(yù)先混合的兩種細(xì)胞群（表達(dá)AsLOV R5和MagLOV 2）（圖4a-c）。在微流控芯片中，基于MFE的鎖定檢測(cè)能夠精確區(qū)分強(qiáng)表達(dá)（eGFP）和低表達(dá)（mCherry）的MagLOV細(xì)胞，分類準(zhǔn)確率達(dá)99%，并量化了細(xì)胞個(gè)體和克隆群體間的變異來源（圖4d-h）。

圖5.利用ODMR進(jìn)行空間定位。

在寬場(chǎng)顯微鏡下，利用永磁體產(chǎn)生的線性梯度磁場(chǎng)，使ODMR共振頻率在0.50 mm范圍內(nèi)與樣本的空間位置（z軸）相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了類似于MRI的一維編碼成像（圖5a-b）。在定制化熒光MRI儀器上通過ODMR鎖定檢測(cè)，成功實(shí)現(xiàn)兩個(gè)表達(dá)MagLOV 2而在不同深度（真實(shí)距離為7.5mm）的細(xì)胞樣品的同時(shí)定位，誤差約為0.6 mm。這些結(jié)果表明MagLOV可作為光學(xué)MRI定位的熒光標(biāo)記物。

圖6.基于MFE的局部微環(huán)境傳感器。

測(cè)量純化MagLOV2 fast蛋白在不同濃度的順磁性MRI造影劑（釓布醇）溶液中的MFE信號(hào)，結(jié)果顯示蛋白的MFE對(duì)比度隨釓濃度增加而下降，表明即使黃素結(jié)合在蛋白內(nèi)部，MagLOV的傳感性能仍能敏感地反映周圍順磁性物質(zhì)的濃度。這些結(jié)果說明MFP可以作為原位微環(huán)境傳感器。

總結(jié)與展望

這項(xiàng)工作通過定向進(jìn)化成功改造出穩(wěn)定且高度響應(yīng)磁敏感熒光蛋白MagLOV，首次在活細(xì)胞、室溫下實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞ODMR檢測(cè)，并系統(tǒng)展示了其多模態(tài)應(yīng)用。MagLOV蛋白的熒光能夠通過磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用；鎖定檢測(cè)突破了某些組織因信號(hào)質(zhì)量差或自發(fā)熒光和散射等因素難以測(cè)量的局限；利用ODMR可以空間定位三維的熒光信號(hào)；磁共振感測(cè)用于確定微環(huán)境中順磁性分子（自由基或順磁性金屬蛋白）的存在。未來，MFP有望通過物理性能（如溶解度、光穩(wěn)定性、光譜響應(yīng)和量子產(chǎn)率）的改進(jìn)來進(jìn)一步增強(qiáng)其MFE和ODMR的特性，應(yīng)用于磁控傳感器和細(xì)胞功能操控等。

來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09971-3

審核編輯 黃宇