科学网—为生物细胞“充电”的传感器
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2024-12-20 20:30
| 个人分类: 新科技 | 系统分类: 博客资讯
为生物细胞“充电”的传感器
诸平
Prof Bruce Morgan, PhD candidate Anika Diederich, PhD candidate Jan-Ole Niemeier and Prof Markus Schwarzländer (from left) in the laboratory with the recombinant sensor protein (in pink) isolated from bacterial cells. © Markus Schwarzländer
据德国明斯特大学 ( University of Münster )2024 年 12 月 20 日提供的消息，德国和比利时的研究人员合作开发出用于生物细胞“充电”的传感器（ Researchers develop sensors for the “charge” of biological cells ）。
生物传感器实时显示 NADPH 与 NADP + 的比值 / 洞察细胞保护功能的进化（ Biosensors show the ratio of NADPH to NADP + in real time / Insights into the evolution of the protective function of cells ）
生物细胞在生物体中有许多重要的功能。例如，它们产生蛋白质、碳水化合物和脂肪。但它们也负责解毒有害分子，传递信号和免疫防御步骤。驱动这些过程需要所谓的氧化还原电位。它取决于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸盐（ nicotinamide adenine dinucleotide phosphate 简称 NADPH ，带负电荷，“还原”型）与其氧化型 NADP + 的比例。由德国明斯特大学的植物生物技术专家 Markus Schwarzländer 教授 ( Prof Markus Schwarzländer at the University of Münster ) 和萨尔兰大学（ Saarland University ）的生物化学家布鲁斯·摩根教授（ Prof Bruce Morgan at Saarland University ）领导的一个研究小组，现在已经开发出新的生物传感器，可以第一次在活细胞中实时测量 NADPH 与 NADP + 的比例。该研究小组的观察结果为研究细胞最重要的保护功能——细胞解毒（ cellular detoxification ）的进化提供了新的视角。相关研究结果于 2024 年 12 月 19 日已经在《自然通讯》（ Nature Communications ） 杂志网站发表 —— Marie Scherschel , Jan-Ole Niemeier , Lianne J. H. C. Jacobs , Markus D. A. Hoffmann , Anika Diederich , Christopher Bell , Pascal Höhne , Sonja Raetz , Johanna B. Kroll , Janina Steinbeck , Sophie Lichtenauer , Jan Multhoff , Jannik Zimmermann , Tanmay Sadhanasatish , R. Alexander Rothemann , Carsten Grashoff , Joris Messens , Emmanuel Ampofo , Matthias W. Laschke , Jan Riemer , Leticia Prates Roma , Markus Schwarzländer , Bruce Morgan . A family of NADPH/NADP + biosensors reveals in vivo dynamics of central redox metabolism across eukaryotes. Nature Communications , 2024, 15: 10704. DOI: 10.1038/s41467-024-55302-x . Published: 19 December 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55302-x
参与此项研究的有来自德国萨尔兰大学（ Saarland University, Germany ）、德国明斯特大学（ University of Münster, Münster, Germany ）、德国科隆大学（ University of Cologne, Cologne, Germany ）、比利时布鲁塞尔的弗拉芒生物技术研究所（ Vlaams Instituut voor Biotechnologie, Brussels, Belgium ）以及比利时布鲁塞尔自由大学（ Vrije Universiteit Brussel, Brussels, Belgium ）的研究人员。
NADP 参与细胞中电子在不同物质之间传递的许多反应。“你可以想象 NADPH 和 NADP + 的比例，就像可充电电池的充电一样，” Markus Schwarzländer 解释说。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。博士候选人 Jan-Ole Niemeier 解释说：“到目前为止，只有一些电池可以被读取，或者必须破坏电池才能读取，这就伪造了测量结果。”科学家们现在已经开发出一系列生物传感器，这些传感器是由基因编码的，因此由细胞自己产生，并运送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，因此它们可以在活细胞和组织中非破坏性地使用。
对于新的传感器，科学家们使用基因工程方法修改了先前开发的荧光分子，其中包含发光水母蛋白（ luminescent jellyfish protein ）的部分，使其能够特异性识别 NADPH 和 NADP + 。除此之外，他们发现“ NADP 电荷”（ "NADP charge" ）非常强大，并且在需要时通过细胞代谢特别有效地充电。他们还观察到“ NADP 充电周期”（ "NADP charge cycles" ），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。另一个重要的发现是，无论在酵母、植物还是哺乳动物细胞中，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进行的。布鲁斯·摩根强调说：“这一发现挑战了所谓的硫氧还蛋白解毒途径（ thioredoxin detoxification pathway ）对防御氧化应激特别重要的主流观点。”
该项目得到了德国研究基金会 {Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation), grant MO 2774/6−1 project number 505680640, grants RI2150/5−1 project number 435235019, RI2150/2-2 project number 251546152, RTG2550/1 project number 411422114, and CRC1218 project number 269925409, grant INST211/903-1 FUGG, and the grants SCHW1719/9-1 project number 508398975, SCHW1719/10-1 project number 507704013 and SCHW1719/11-1 project number 507704013, DFG in the framework of the TRR219, project number 322900939} 、 DFG 和德国北莱茵 - 威斯特伐利亚州的“国家主要仪器”方案（ "State Major Instrumentation" programme of the DFG and the state of North Rhine-Westphalia ）以及萨尔兰大学的“纳米生物医学开发种子基金”（ Saarland University NanoBioMed Method Development Seed Funding ）的财政支持。
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Abstract
The NADPH/NADP + redox couple is central to metabolism and redox signalling. NADP redox state is differentially regulated by distinct enzymatic machineries at the subcellular compartment level. Nonetheless, a detailed understanding of subcellular NADP redox dynamics is limited by the availability of appropriate tools. Here, we introduce NAPstars, a family of genetically encoded, fluorescent protein-based NADP redox state biosensors. NAPstars offer real-time, specific measurements, across a broad-range of NADP redox states, with subcellular resolution. NAPstar measurements in yeast, plants, and mammalian cell models, reveal a conserved robustness of cytosolic NADP redox homoeostasis. NAPstars uncover cell cycle-linked NADP redox oscillations in yeast and illumination- and hypoxia-dependent NADP redox changes in plant leaves. By applying NAPstars in combination with selective impairment of the glutathione and thioredoxin antioxidative pathways under acute oxidative challenge, we find an unexpected and conserved role for the glutathione system as the primary mediator of antioxidative electron flux.
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