《PNAS》突破性新一代ATP传感器动态展示细胞能量动力学

　　

一种叫做三磷酸腺苷(ATP)的分子是生化能量的基本单位，为所有细胞的活动提供燃料。现在，由威尔康奈尔医学院和霍华德休斯医学研究所(HHMI) Janelia研究校园的研究人员领导的一个研究小组已经开发并测试了一种高分辨率传感器，用于跟踪细胞和亚细胞区室中ATP水平的实时动态。与之前的ATP传感器技术相比，新工具代表了一个重大进步，研究人员希望它能加速许多生物研究领域的发展。

研究人员于5月15日在《PNAS》上发表了他们的研究成果，他们通过修改一种atp结合细菌酶，并将其与天然荧光蛋白GFP结合，开发出了这种传感器。由于这种传感器是由蛋白质构成的，它可以被编码到DNA中，并在目标细胞内产生。研究人员在几个实验中展示了他们的新ATP传感器的实用性，其中一个实验以前所未有的细节揭示了ATP在单个神经纤维上单个突触上的使用动态。

近几十年来，分子生物学和荧光成像技术的进步使各种实验ATP传感器的发展成为可能。然而，它们都不具备被广泛采用的特性。相反，ATP的监测仍然主要是通过传感器来检测细胞中的替代测量，如氧水平的变化。这种传感器有其自身的主要局限性，包括它们只能测量大量细胞中ATP的使用情况。

该研究的共同通讯作者，威尔康奈尔医学院三机构生物化学教授Timothy Ryan博士说“这种传感器将使我们能够以更高的分辨率观察生物的基本过程。”

另一位共同通讯作者是Jonathan Marvin博士，他是HHMI/Janelia的高级科学家。

新传感器iATPSnFR2是Marvin博士及其同事几年前开发的直接ATP传感器的下一代版本。当它与ATP结合时，它的形状会发生变化，从而增强绿色荧光蛋白的荧光。在新版本中，与ATP结合的荧光强度的增加要大得多，使传感器在非常宽的ATP浓度范围内具有高灵敏度。

该传感器还可以加入第二种荧光分子，具有不同的发射波长，不随ATP结合而改变强度;这为传感器分子的浓度提供了参考信号，从而能够更准确地读出ATP水平及其动态。

在演示实验中，研究小组展示了这种传感器不仅可以在单个细胞中追踪ATP水平，还可以在不同的亚细胞区室中追踪ATP水平，而且时间尺度仅为数百毫秒。在一组实验中，他们使用传感器跟踪单个线粒体内的ATP水平，线粒体是一种微小的生化反应器，通过燃烧氧气有效地为细胞制造ATP。他们还观察了神经纤维上单个突触上ATP水平的动态变化，发现每个突触都有自己独特的ATP消耗和消耗模式。

“我们做这些实验主要是为了展示这种方法的基本效用，所以我们没有深入挖掘，”Ryan博士说，他也是威尔康奈尔医学院(Weill Cornell Medicine)麻醉学生物化学教授。“但从那以后，我们一直忙着用它来深入挖掘，事实证明，它对我们来说是一个非常强大的工具，可以做出新的科学发现。”