将活细胞工程化用于生产化学品、酶和药物时，有限的内源辅因子可用性和表达负担会使细胞产生适应度缺陷，使其在长期生物过程中承受选择压力，最终可能导致高产工程细胞在群体水平被低产突变体取代。本文报道了用于生产香草醛-β-葡萄糖苷（vanillin-β-glucoside, VG）的适应度负担酿酒酵母细胞的突变图谱。基于转录组分析和对 VG...
基因编码荧光蛋白激酶生物传感器是阐明激酶组的核心工具。其适应性和多功能性使研究者能够在活细胞和完整生物体中实时观察激酶活性的时空动态。本综述系统介绍了多种激酶生物传感器类型及其在复杂生物系统中的新兴应用，重点讨论神经元系统和整体动物环境中使用的激酶活性报告器。文章概述了基于FRET的激酶活性报告器设计，包括供体-受体荧光蛋白对、激酶...
荧光素酶报告基因广泛应用于从体外高通量筛选到活体成像的多种场景，但发光强度测量易受发光衰减和报告基因表达水平差异影响，导致定量不稳定。基于生物发光共振能量转移（BRET）的传感器兼具荧光素酶报告基因的优点，并因固有的比率读出克服上述问题。本研究构建了新型比率 BRET ATP 传感器 ARSeNL（ATP detection wit...
患者特异性诱导多能干细胞（iPSCs）可分化为所需细胞类型，是研究病理过程与开发治疗策略的有前景模型，但目前尚缺乏常规使用策略。基因编码生物传感器可实时监测信使分子、代谢物和酶活性，并将所记录信号转化为定量数据，从而评估特定分子对疾病发展的影响。本文报道了用于研究与肌萎缩侧索硬化（ALS）相关病理过程的通用细胞平台。作者构建了一系列...
氧化还原敏感荧光蛋白（roFPs）是实时成像细胞内氧化还原变化的重要工具。其结构含一对可形成二硫键的半胱氨酸，氧化后改变蛋白构象与光谱特性。现有 roFP 虽覆盖蓝至红光，但多数存在亮度不足或 pH 依赖性强等问题，且缺乏氧化还原电位接近 2GSH/GSSG 电对的红色 roFP。本文报道 Grx1-roCherry，首个具有典型红...
基于荧光蛋白的生物传感器为理解植物生物学核心——细胞网络的动态特性——提供了前所未有的定量视角。此类生物报告分子能够可视化细胞调控因子（如Ca2+和H+）以及植物激素的空间与时间动力学，并可在活植物细胞中实时监测膜转运活性。这些工具的发展速度很快，使其越来越灵敏且易于使用；快速扩展的生物传感器工具箱为获得关于广泛植物调控过程的新认识...
过氧化氢（H2O2）是调控生理与病理细胞过程的关键信号分子。基因编码的HyPer探针因可靶向特定细胞和细胞器，已成为监测多种生物体系中H2O2动态最有效的工具之一。自2006年开发以来，HyPer在氧化还原生物学研究中表现出稳健而强大的性能。近年来，HyPer探针被用于多种模型研究H2O2在不同氧化还原过程中的作用，并越来越多地用于...
动态蛋白-蛋白相互作用（PPIs）是细胞信号传导的基本组成，监测其调控有助于理解健康与疾病中的信号机制。基因编码的分裂蛋白生物传感器检测法（split biosensor assay, SBA），如 split TEV 方法，在研究活细胞中受调控的 PPIs 时具有重要价值。Split TEV 基于两个原本无活性的 TEV 蛋白酶片...
酸性磷脂是含量较低但对细胞信号至关重要的膜脂，主要包括磷脂酰肌醇磷酸（PIPs，又称磷脂酰肌醇）、磷脂酰丝氨酸（PS）和磷脂酸（PA）。它们可作为关键信号级联中第二信使的前体或本身即为第二信使，调控多种蛋白的定位与激活，并参与几乎所有膜运输事件。因此，理解这些脂质在细胞内的亚细胞定位和动态变化非常重要。多年来，研究者发展了多种用于固...
NADP+是细胞电子传递反应中关键的氧化型辅酶，其胞质或细胞器内浓度会因转化为多种重要衍生物而动态变化。为在单活细胞中追踪NADP+浓度，作者开发了一种基因编码的NADP+生物传感器：在青色荧光蛋白（CFP）与黄色荧光蛋白（YFP）构成的Förster共振能量转移（FRET）对之间插入报告元件KPR（ketopantoate red...
本评论讨论两类基因编码分子工具，它们显著增强了在天然环境中观察和操控复杂生化过程的能力，并深化了对细胞内信号网络分子机制的理解。基因编码生物传感器被广泛用于在活细胞中直接可视化信号事件；文中重点介绍了几种基础传感器设计，使研究者能够以高细节捕捉第二信使和信号酶等大量信号分子的空间与时间动态。同时，文章讨论多种基因编码生化扰动技术，它...
活细胞显微成像现已常规用于监测基因编码生物传感器蛋白的活性，以直接测量细胞、组织或生物体内特定信号事件。多数荧光生物传感器蛋白依赖 Förster 共振能量转移（FRET）报告信号事件引起的蛋白构象变化，通常用基于强度的比率成像测量。荧光寿命成像显微镜（FLIM）是另一种监测 FRET 型生物传感器蛋白活性的方法。FLIM 在时域测...
蛋白激酶（包括蛋白激酶A，PKA）参与众多关键细胞信号通路，但目前在遗传指定细胞群体中实时、高空间分辨率地监测激酶活性仍是未满足需求，对理解复杂生物系统及新药筛选至关重要。作者基于蛋白激酶天然识别序列可通过化学交换饱和转移磁共振成像（CEST-MRI）检测的假设，设计了一种基因编码生物传感器，其由PKA天然底物肽LRRASLG的八个...
基于水母绿色荧光蛋白（GFP）变体的基因编码生物传感器已能成像多种细胞内生化过程，但红色荧光蛋白（RFP）基传感器仍较少。为便于在单细胞中同时成像多种生物传感器，作者开发了一种二聚化依赖型红色荧光蛋白（ddRFP）策略。通过理性工程与定向蛋白进化，获得由A1和B1组成的低亲和力异源二聚体，其解离常数Kd为33 μM，形成异源二聚体后...
不同颜色荧光蛋白之间的 Förster（荧光）共振能量转移（FRET）为设计和构建用于检测胞内事件的生物传感器提供了稳健基础。目前，已开发出一系列针对生物相关离子、分子和特定酶活性的 FRET 型生物传感器，并用于研究细胞生物学中的诸多问题。FRET 型生物传感器使用的一个新兴趋势是将其与第二种生物传感器联用，从而在单个活细胞中同时...
新型基因编码生物传感器利用改造的萤火虫荧光素酶，有望在活细胞中显著提升信噪比与响应动态范围。该类传感器在关闭状态下通过铰链结构阻碍荧光素酶与底物荧光素结合，仅在蛋白活性状态触发构象闭合时催化荧光素氧化并发光，从而获得接近零背景与数倍至二十倍以上的信号变化。由于响应特性优异，其特别适用于大孔板格式的高通量筛选，并可通过替换蛋白酶识别序...