基因编码的生物传感器实时测量活细胞的电荷

生物细胞在生物体内具有许多重要功能。例如，它们产生蛋白质、碳水化合物和脂肪。但它们也负责清除有害分子，传递信号和免疫防御步骤。需要所谓的氧化还原电位来驱动这些过程。这取决于NADPH（带负电荷的“还原”形式的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）与其氧化形式NADP的比率⁺.

由明斯特大学植物生物技术专家Markus Schwarzländer教授和萨尔大学生物化学家Bruce Morgan教授领导的一个团队现在开发了新的生物传感器，首次可以在活细胞中实时测量NADPH与NADP的比例。该团队的观察为细胞最重要的保护功能——细胞解毒的进化提供了新的见解。该研究发表在《自然通讯》上

NADP参与细胞中的许多反应，在这些反应中，电子在不同物质之间转移。Schwarzländer解释说：“你可以想象NADPH与NADP的比率，就像可充电电池的电荷一样。”然而，所有生物细胞都有许多不同的电池，这些电池在细胞的不同区域也有不同的电荷。

博士生Jan Ole Niemeier解释道：“到目前为止，只有其中一些电池可以读取，或者必须破坏细胞才能读取，这会伪造测量结果。”科学家们现在开发了一系列生物传感器，这些传感器是基因编码的，因此由细胞本身产生并运输到细胞中的正确位置。这些生物传感器可以通过光或荧光读取，这样它们就可以无损使用。

对于新的传感器，科学家们使用基因工程方法修饰了一种先前开发的荧光分子，该分子含有发光水母蛋白的一部分，使其特异性识别NADPH和NADP⁺.

除此之外，研究小组发现“NADP电荷”非常强大，在需要时通过细胞代谢特别有效地充电。他们还观察了“NADP充电周期”，即细胞分裂过程中细胞电池的振荡，以及光合作用和氧气可用性对NADP电池的影响

另一个重要发现是，活性氧（如过氧化氢）的解毒主要是通过细胞中存在的谷胱甘肽（一种以相对较高浓度存在于细胞中的三肽）进行的，无论是在酵母、植物还是哺乳动物细胞中。布鲁斯·摩根强调：“这一发现挑战了所谓的硫氧还蛋白解毒途径对防御氧化应激尤为重要的普遍观点。”

参与该项目的其他团队包括同样来自明斯特大学的细胞生物学家Carsten Grashoff教授团队，以及来自科隆大学和布鲁塞尔大学的团队 More information: Marie Scherschel et al, A family of NADPH/NADP+ biosensors reveals in vivo dynamics of central redox metabolism across eukaryotes, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-55302-x

Journal information: Nature Communications