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使用红移视黄醛类似物重构的微生物视紫红质中具有强pH依赖性的近红外荧光

DOI：10.1021/acs.jpclett.8b02780 期刊：The Journal of Physical Chemistry Letters 出版年份：2018 更新时间：2025-09-23 15:21:01
摘要： 近红外（NIR）驱动的视紫红质在光遗传学及其他光生物技术发展中具有重要价值，如人工光合作用和深层组织电压成像。本研究报道了一种含近红外活性视黄醛类似物（PR:MMAR）的质子泵蛋白视紫红质（PR），其展现出量子产率达3.3%的强近红外荧光——该数值是天然PR的130倍（Lenz, M. O.等，《生物物理学报》2006, 91, 255?262），也是QuasAr和PROPS电压传感器（Kralj, J.等，《科学》2011, 333, 345?348；Hochbaum, D. R.等，《自然-方法》2014, 11, 825?833）的3?8倍。该近红外荧光在pH 6?8.5范围内呈现显著依赖性，提示MMAR结合蛋白可作为超灵敏的近红外驱动pH和/或电压传感器。飞秒瞬态吸收光谱显示：近红外激发下PR:MMAR具有异常长的310皮秒荧光寿命且无异构化光产物，与高荧光量子产率相符。受激拉曼分析表明，近红外吸收物种源于保守天冬氨酸的质子化——MMAR中额外的甲氨基促进了电荷离域和键长均一化，本质上形成了次级质子化席夫碱。这使得共轭主链上的键长变化显著减小，赋予C13═C14键更强的单键特性并引起生色团结构形变，从而阻碍光诱导异构化并延长荧光寿命。我们的研究从分子层面阐明了PR:MMAR中吸收/发射波长、异构化与荧光之间的关系。由于酸化作用增强了共振态，这解释了近红外发射的强pH依赖性。
作者： Yusaku Hontani，Sean Frehan，Miroslav Kloz，Willem J. de Grip，John T. M. Kennis，Srividya Ganapathy
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研究目的

研究一种用红移视黄醛类似物重构的微生物视紫红质中强烈的pH依赖性近红外荧光及其在光遗传学和其他光生物技术发展中的潜在应用。

研究成果

PR：MMAR展现出强烈的近红外荧光，具有高量子产率和显著的pH依赖性，使其成为超灵敏近红外驱动的pH和/或电压传感器的有希望候选材料。这些特性的分子基础涉及生色团的电荷离域和结构变形，这会干扰光诱导异构化并延长荧光寿命。

研究不足

该研究的局限性在于PR:MMAR的测试条件特定，包括pH范围和激发波长。PR:MMAR作为体内pH或电压传感器的适用性仍有待充分探究。

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