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基于FRET原理的生物传感器: 小分子荧光探针在植物中的研究进展

吕加一, 李乐攻, 侯聪聪

植物学报 2025, 60 (2): 283-293. DOI: 10.11983/CBB24056

摘要（250）

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生物小分子是指生物体内分子量较小的单体物质, 植物小分子种类繁多, 包括离子、植物激素和代谢物等。了解植物体内这些小分子的动态变化, 有助于解析相关的生理功能和调控网络, 并为植物细胞学的精确观察创造新的机遇。基于Förster共振能量转移(Förster resonance energy transfer, FRET)原理设计的基因编码荧光生物传感器/探针, 为活体内观察这些小分子的动态变化提供了强有力的工具。通过FRET传感器/探针, 能够可视化细胞内特定小分子化合物的浓度, 并实时获取高分辨率图像。这一技术因其独特的优势而被广泛应用于植物生理学、发育生物学和环境科学等研究领域。该文总结了近年来植物学研究中使用的FRET传感器/探针, 概述了它们的主要设计思路, 并阐述了其在检测离子、植物激素及代谢物方面的应用与研究进展, 旨在为植物中生物小分子的功能研究提供实用的技术手段和可能的研究方向。

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图1 基于Förster共振能量转移(FRET)原理的生物传感器/探针
(A) FRET原理; (B) 基于FRET原理设计的生物传感器/探针结构

正文中引用本图/表的段落

FRET是指能量以非辐射方式从激发态的供体荧光基团转移到基态的受体基团(发色团猝灭剂或荧光团)的过程(F?rster, 1965)。FRET效应的发生需要满足2个必要条件: 光谱重叠和邻近性, 即: (1) 供体荧光基团的发射光谱与受体基团的吸收光谱之间存在重叠; (2) 供体与受体之间的距离足够近(通常小于10 nm) (图1A) (Lakowicz, 1999)。

基于FRET原理开发的基因编码荧光生物传感器/探针具有广阔的应用前景。这类传感器/探针通常由两侧发射光谱存在重叠的供体和受体荧光蛋白, 以及位于中间的代谢物结合蛋白(metabolite-binding protein, MBP)融合而成(Michener et al., 2012; Turner, 2013; Shi et al., 2018)。当小分子配体与MBP特异性结合后, 会导致结合蛋白质的空间构象发生改变, 从而使供体与受体之间的距离显著缩短(图1B)。此时, 使用供体荧光蛋白的激发光激发供体, 供体吸收能量从基态跃迁至激发态, 并在返回基态的过程中释放荧光, 将能量有效传递给受体, 激发受体蛋白发出荧光(Bhupathi et al., 2023)。在实际应用中, 常通过检测受体蛋白与供体蛋白发出荧光强度的比值来表征配体分子的结合浓度(Michener et al., 2012)。

FRET是指能量以非辐射方式从激发态的供体荧光基团转移到基态的受体基团(发色团猝灭剂或荧光团)的过程(F?rster, 1965).FRET效应的发生需要满足2个必要条件: 光谱重叠和邻近性, 即: (1) 供体荧光基团的发射光谱与受体基团的吸收光谱之间存在重叠; (2) 供体与受体之间的距离足够近(通常小于10 nm) (图1A) (Lakowicz, 1999). ...

本文的其它图/表

表1 植物中基于Förster共振能量转移(FRET)原理的小分子生物传感器/探针