隔空操控生命分子？Science新研究：电磁脉冲可精准分裂蛋白质，改写细胞行为

在生物医学研究和药物开发领域，生物发光成像技术因其高信噪比而被广泛应用于细胞测定和动物成像研究。然而，传统的荧光素酶种类有限，限制了同时成像多个分子和细胞事件的能力。为了突破这一限制，科学家们开发了一种新型的ATP非依赖性荧光素酶——NanoLuc(NL)，它源自深海虾Oplophorus gracilirostris，并经过工程改造以增强蛋白质稳定性。NanoLuc作为一种小型(19 kDa)、高亮度的荧光素酶，其亮度是传统萤火虫或海肾荧光素酶的100倍，并且使用furimazine作为底物产生明亮的辉光型发光。

NanoLuc的意义在于其为双报告基因生物发光分子成像提供了新的可能。它不仅可以在活体小鼠的表层和深层组织中成像，而且其生物发光随时间的变化可以用来定量肿瘤生长，甚至在少量血清中也能检测到分泌的NL。此外，NanoLuc与萤火虫荧光素酶的结合使用，为在完整细胞和活体小鼠中定量TGF-β信号传导的两个关键步骤提供了一种新型双荧光素酶成像策略，从而在正常生理、疾病和药物开发中扩展了信号转导的成像能力。NanoLuc的作用不仅体现在其高灵敏度和高稳定性上，它还具有更小的尺寸，这使得在标记细胞和蛋白质时对样本的侵入性更小，有助于保持细胞或组织的天然状态。NanoLuc的快速反应、低背景发光和多样灵活等特点，使其在生物学和医学研究中具有广泛的应用前景。因此，NanoLuc作为一种新的报告基因，不仅增强了我们对生物过程的理解和疾病机理的研究，而且在开发潜在治疗方法和疗法方面发挥了重要作用。

基本信息

英文标题：A putative design for the electromagnetic activation of split proteins for molecular and cellular manipulation

中文标题：利用电磁激活分裂蛋白实现分子与细胞操控的潜在设计

发表期刊：《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》

影响因子：6.4

作者单位：

1.Department of Biomedical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI, United States

2.Department of Chemical Engineering and Materials Science, Michigan State University, East Lansing, MI, United States

3.Department of Computer Science and Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI, United States

作者信息：

Connor J. Grady, E. Alejandro Castellanos Franco, Jory Schossau

研究背景

近年来，化学生物学致力于开发能够时空精准调控蛋白质功能的新工具。分裂蛋白技术通过将功能蛋白分裂为两个片段，仅在特定刺激下重新组装恢复活性，已广泛应用于蛋白质互作研究和光遗传学调控。然而，现有工具主要依赖光或化学信号，存在穿透深度限制或侵入性风险。磁刺激作为一种非侵入性、穿透力强的物理刺激，具有广阔应用潜力。本研究基于玻璃鲶鱼(Kryptopterus vitreolus)的电磁感知基因(EPG)，提出一种新型磁控分裂蛋白平台。通过将分裂蛋白片段与EPG融合，利用磁场诱导EPG构象变化，驱动分裂蛋白重组并恢复功能，为分子与细胞水平的远程磁控提供了新方法。

研究方法

研究首先通过生物发光共振能量转移(BRET)实验验证EPG在磁场下的构象变化，并确认其胞质定位。随后，将NanoLuc、APEX2和HSV1-TK三种分裂蛋白的片段分别融合至EPG的N端和C端，构建磁控重组系统。在HEK 293FT和4T1-Luc2细胞中，通过磁刺激(静态磁场或电磁线圈)激活分裂酶活性，检测生物发光、过氧化物酶活性及细胞毒性。实验采用荧光成像、IVIS活体成像和流式细胞术分析，验证磁控分裂蛋白的功能及效率，并通过统计学方法评估实验显著性。

实验结果

图1：EPG的磁场诱导构象变化BRET分析

通过BRET实验验证EPG在静态磁场(10 mT)下的构象变化。单拷贝EPG(NanoLuc-mVenus融合)在磁场刺激下信号增加2.5%(图1A)，而双EPG(IRES分隔)仅增加1.5%(图1B)，表明EPG通过构象变化而非二聚化响应磁场，为后续磁控分裂蛋白设计奠定基础。

图2：EPG BRET构建体的细胞定位

共聚焦荧光成像显示，EPG BRET构建体(胞质表达)与膜定位的EPG HaloTag融合蛋白(膜锚定)共表达时，EPG BRET信号主要分布于胞质(图2G)，证实其定位独立于磁场响应机制，支持EPG的磁感知功能不依赖膜环境。

图3：EPG分裂NanoLuc在磁场下的生物发光增强

将NanoLuc分裂片段(1-65和66-171)分别融合至EPG两端，构建磁控重组系统。E. coli裂解液(图3C)及完整细胞(图3D)中，磁场刺激下生物发光信号分别提升39.4%和68.7%，证实EPG可作为磁激活“铰链”驱动分裂蛋白重组。

图4：EPG分裂APEX2的磁控过氧化物酶活性

HEK 293FT细胞中，EPG分裂APEX2在磁场(150 mT)和H₂O₂共同刺激下，荧光信号增加150%(图4B)，表明磁控酶活性可用于实时检测与成像，为磁控分子标记提供新方法。

图5：EPG分裂HSV1-TK的磁控细胞毒性

4T1-Luc2细胞中，EPG分裂HSV1-TK在磁场刺激下显著增强甘昔洛韦(GCV)介导的细胞死亡(图5B)。8次重复实验显示磁刺激组细胞活力平均降低10%，统计学显著(p=0.00039)，验证该技术用于精准调控基因治疗的潜力。

研究结论

本研究首次实现了磁场驱动的分裂蛋白重组与功能激活。EPG作为磁响应“铰链”，在磁场下引发构象变化，促使融合的分裂蛋白片段(如NanoLuc、APEX2、HSV1-TK)重组并恢复活性。实验表明，磁刺激显著增强了生物发光信号(E. coli中增加68.7%)、过氧化物酶活性(HEK细胞中提升150%)及HSV1-TK介导的细胞毒性(8次重复实验平均抑制10%)。该技术为非侵入性调控酶活性、基因治疗和分子成像提供了新工具，未来可通过优化分裂位点与连接肽进一步提升效率。