Nature新生物传感器使活细胞内的生长素可见

生长素对植物的发育起着至关重要的作用。拜罗伊特大学和马克斯·普朗克发育生物学研究所(Tübingen)的科学家们现在开发了一种新型传感器，可以实时看到活植物细胞中生长素的空间分布。这种传感器为研究人员打开了植物内部运作的全新视角。

　　

 

   

图片:拟南芥幼苗。随着生长素含量的增加，细胞核由蓝色变为绿色，由黄色变为红色。大部分生长素位于倾角(重力矢量)最大的地方。下图:生长素的化学结构。

激素生长素对植物的发育至关重要。拜罗伊特大学和马克斯普朗克发育生物学研究所的科学家现在已经开发出一种新型传感器，可以实时观察活体植物细胞中生长素的空间分布。该传感器为研究人员开辟了工厂内部运作的全新见解。而且，现在也可以快速检测到环境条件变化对增长的影响。该团队在“Nature”杂志上发表其研究成果。

植物激素生长素的作用在近100年前首次被科学地描述。今天我们知道生长素控制着植物细胞中无数的过程-无论是种子中胚胎的发育，根系的形成，还是入射阳光的生长方向。在所有情况下，激素都具有协调植物对外部刺激的反应的功能。为此，它必须始终存在于需要触发对外部刺激的响应的细胞组织中。实际上，通常情况是在非常短的时间内在细胞组织的非常不同的位置需要生长素。这导致快速的空间重新分配。使用新的生物传感器，简称AuxSen，这些过程的动态可以首次实时观察。光信号指示生长素位于细胞组织中的位置。这种传感器的特点是它不是必须引入植物的技术装置，而是植物被设计成能够自己生产的人造蛋白质。

生物传感器的应用已经导致了一些令人惊讶的发现。一个例子是当植物倒置时生长素的快速重新分配。当根尖不再指向向下而是对角向上时，负责根生长的生长素分子在短短一分钟内聚集在根尖的新下面。并且在右侧朝上放置后，仅一分钟后恢复生长素的旧分布。

蛋白质生物化学与植物生物学相结合

生物传感器的发展是多年跨学科合作的结果。由拜罗伊特大学蛋白质设计教授BirteHöcker博士领导的团队和马克斯普朗克发育生物学研究所GerdJürgens教授领导的团队结合了他们的知识和多年的经验。预计新的生物传感器将在未来几年内揭示更多无法预料的植物内部运作及其对外部刺激的反应。BirteHöcker教授说，传感器的发展是一个漫长的过程，在这个过程中，我们已经获得了关于如何选择性地改变蛋白质以结合特定小分子的基本见解。

“新传感器已经引起了很大的兴趣，预计未来几年将开发出优化的AuxSen变体，以便更好地分析植物中生长素调节过程。随着我们在《Nature》发表的新论文，我们希望鼓励科学界增加这方面的研究，”马克斯·普朗克发育生物学研究所的GerdJürgens博士解释说。“到目前为止，我们的研究结果是跨学科合作在这一领域取得多大成果的一个例子。”

生物传感器的优点：高信号质量和与生长素的最佳结合强度

在生物传感器开发开始时，细菌大肠杆菌中的蛋白质与氨基酸色氨酸结合，但与化学相关的生长素结合更差。该蛋白质与两种蛋白质偶联，这两种蛋白质在用特定波长的光激发时发出荧光。如果这些伴侣蛋白彼此非常接近，它们的荧光就会显着增加。然后发生荧光共振能量转移（FRET）。下一步至关重要：最初的蛋白质要进行基因修饰，以便它与生长素结合得好，但与色氨酸结合得不好。同时，当蛋白质与生长素结合时，伴侣分子的FRET效应应该总是发生。考虑到这一目标，创建并测试了约2000种蛋白质变体，直到最终找到满足所有要求的分子。因此，生物传感器AuxSen诞生了：强荧光信号表明重要激素在细胞组织中的位置。

另一个挑战是使植物能够自己生产AuxSen。一方面，必须确保AuxSen与尽可能多的细胞中的现有生长素分子结合。这是完全绘制细胞中生长素空间分布并产生高信号质量的唯一方法。然而，另一方面，由于与生长素结合，生长素分子不能永久地阻止其在植物生物体中完成其原始任务。尽管如此，两个研究小组成功地找到了一个妥协的解决方案。对植物进行遗传修饰，以在其细胞组织中产生大量AuxSen。但这只会在受到特殊物质刺激时才会发生-然后只在短时间内发生。通过这种方式，生物传感器可以提供细胞中生长素分布的精确快照，而不会永久影响生长素控制的过程。

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