导读 ⭐
Introduction
在生命科学研究中，我们总是渴望“看”得更深、更清晰。然而，受限于光在生物组织中的散射和自发荧光，传统的可见光荧光蛋白很难胜任活体深层组织的成像任务。
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徐纯福实验室、华盛顿大学David Baker实验室联合多个国际团队，在《Journal of the American Chemical Society》发表题为“De Novo Design of Near-Infrared Fluorescence-Activating Proteins” 的研究论文。该研究通过蛋白质计算设计与有机合成的完美结合，在首次从头设计出能够在近红外（NIR）和短波红外（SWIR）区域激活荧光的全新蛋白质，为深层组织成像和未来生物传感器的开发打开了一扇全新的大门！
背景挑战：探索深层组织的“视界”盲区
基于蛋白质的荧光成像技术（如大家熟知的GFP）彻底改变了现代生物学。然而，当我们需要观察活体动物深层组织时，可见光（400-700 nm）往往会遭遇“滑铁卢”——严重的组织散射和背景自发荧光让图像变得模糊不清。
相比之下，近红外（约800-1000 nm）和短波红外（约1000-2000 nm，SWIR）窗口犹如为光线开辟了“高速公路”，能够实现超过1厘米的穿透深度。目前，科学家们通常依赖小分子染料或纳米材料进行SWIR成像，但这缺乏基因编码探针带来的时空特异性。如何在长波长区域开发出性能优异、可基因编码的荧光蛋白，一直是横亘在化91视频
物学和蛋白质工程领域的巨大挑战。
图1
近红外/短波红外荧光激活蛋白的设计策略
破局之法：计算设计与有机合成的跨界“联姻”
面对天然蛋白质在长波长改造上的局限性，研究团队决定“另起炉灶”——从头设计（De novo design）。研究人员提出了一种具有广泛适用性的双管齐下策略：
1.
化学合成：寻找并在体外合成能够在目标波长发光，但在游离状态下不发光，只有与特定蛋白质结合后才“点亮”的荧光小分子（本研究选用了部花青视黄醛衍生物，Merocyanine retinals）。
2.
2.计算设计：利用Rosetta等计算生物学工具，从头设计出形状和化学性质与这些小分子完美契合的蛋白质口袋，并在精确位置引入亲核性氨基酸（赖氨酸），使两者形成共价键（席夫碱）。通过优化口袋内的质子化环境，诱导发色团产生巨大的光谱红移。该方法的一大亮点是将染料-赖氨酸共价连接体作为非天然氨基酸建模，实现蛋白与染料同步优化；
两大成果：从远红到短波红外的突破
基于上述策略，研究团队成功开发出两款具有里程碑意义的荧光激活蛋白：
1.高亮度的远红（Far-red）探针
特性：研究团队首先设计了一种结合MeroCy7染料的蛋白MC7BP34。当它与染料结合后，激发波长达到663 nm，发射波长达到685 nm。
亮点：它的亮度超越了目前数据库（FPbase）中所有相似波长范围内的已知荧光蛋白！在活细胞多色成像实验中，它展现出很好的特异性，且与现有的自标记系统（如HaloTag, SNAP-tag）互不干扰，是完美的多色成像新工具。
图2
远红光荧光激活蛋白MC7BP34的设计与实验验证
2. 突破极限的短波红外（SWIR）探针
特性：团队进一步挑战更难的短波红外区域，设计了结合更高分子量的染料MeroCy9的蛋白MC9BP81。结合后，复合物的激发波长红移至892 nm，其荧光发射更是成功延伸进了 短波红外（SWIR，>1000 nm） 范围！
亮点：在小鼠活体深层组织成像实验中，由于波长更长带来了极低的背景噪音，MC9BP81系统展现出了比现有近红外蛋白iRFP720（激发672 nm）更高的成像对比度和灵敏度。
图3
近红外/短波红外MC9BP81(892nm激发)在小鼠体内深层组织成像中显示出比iRFP720（672nm激发）更好的对比度和灵敏度荧光激活蛋白的设计策略
研究意义与未来展望
徐纯福团队及合作者的这项工作，不仅丰富了生命科学领域的深红/近红外荧光成像工具箱，更是首次证明了能够通过从头设计创造出突破至短波红外发光区域的蛋白质探针。未来，通过进一步改造染料结构和优化蛋白口袋，有望获得波长更长、亮度更高、稳定性更好的NIR/SWIR探针。此外，由于该类设计蛋白主要由α螺旋组成，未来也可改造为膜整合型传感器，为神经科学等深层组织研究提供新工具。
团队与支持
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徐纯福研究员和华盛顿大学David Baker教授为本文共同通讯作者。91视频-国产视频-国产直播
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的王桃林为共同第一作者之一；91视频
/北京师范大学的张昆也参与了本研究。本研究获得科技部国家重点研发计划及多项国际合作基金支持。
论文链接
//doi.org/10.1021/jacs.5c19594
