Science：开发出单细胞生物发光成像系统

萤火虫和水母等发光生物让科学家们很感有趣，这是因为它们的生物发光分子有助于可视化观察大量的生物过程。来源于萤火虫的萤光素酶催化底物D-荧光素，从而发出绿黄色的光。为了让这种发光过程更加高效，已有相当多的研究利用合成类似物（synthetic analog）替换荧光素和改进它们的催化速率。如今，在一项新的研究中，来自日本理化研究所的Atsushi Miyawaki和同事们试图更进一步，通过优化萤光素酶和荧光素这两种组分，构建出在体内使用的一种全新的经过生物工程改造的生物发光系统。相关研究结果发表在2018年2月23日的Science期刊上，论文标题为“Single-cell bioluminescence imaging of deep tissue in freely moving animals”。他们利用这种生物发光系统追踪小鼠体内的癌细胞和猴子体内的脑细胞活动。不过，它的应用远不局限于此。

基于之前的研究，这些研究人员已知道一种被称作AkaLumine-HCl的合成荧光素能够穿透血脑屏障并产生在身体组织中更容易观察到的红光。然而，它与天然的萤光素酶不太相容，因此他们让这种酶发生突变，从而改善它与AkaLumine-HCl之间的配对。由此产生的Akaluc蛋白既是一种更加有效的底物催化剂，而且也在细胞中更加大量地表达。在小鼠大脑中，Akaluc和 AkaLumine-HCl的这种组合，被称为AkaBLI，它们产生的生物发光信号比天然的荧光素酶-荧光素反应产生的信号强1000倍。在身体内的其他部位，比如在小鼠肺部，仅一两个发光细胞就足以是清晰可见的，这可能用于监控移植细胞。

通过将AkaBLI加入到小鼠的饮用水中，就能够轻松随意地引入生物发光，并且最为持久地发光。不过，将这些分子注射到小鼠体内会产生更大的发光信号强度。 Miyawaki说，“然而，最根本的改进是能够在体内开展生理研究。”

通过使用AkaBLI，这些研究人员能够直接地观察大脑的活动和结构在一段时间内如何随着行为的变化而变化。在小鼠暴露于熟悉的和新的笼环境中的实验里，他们能够在多天的时间里记录小鼠海马体中的相同神经元。Miyawaki说，“这是第一次非侵入式地可视化观察与一种特定学习行为相关的几十个位于大脑深处的神经元。在狨猴（marmoset monkey）中，这些研究人员能够利用AkaBLI在一年多的时间里追踪大脑深处的神经元。 Miyawaki指出，这种稳定而持久的生物发光对理解自然行为过程中的神经回路的潜力是巨大的。