网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

大卫贝克团队用AI构建可编程荧光标签,利用生成式蛋白实现高精度多目标荧光成像

0
分享至



编辑丨&

如果想同时观察一个细胞里的多个蛋白质,会遇到一个看似简单却始终困扰生物学家的问题。

传统荧光成像依赖不同颜色的荧光染料对目标进行标记。然而,随着需要同时观察的目标越来越多,有限的荧光颜色很快就会成为瓶颈。更麻烦的是,不同荧光蛋白之间往往存在光谱重叠,不仅降低图像质量,也限制了复杂生物过程的解析能力。

而近年来新兴的思路是设计能够专门识别这些染料的小型蛋白标签。但对于天然蛋白而言,很难同时满足稳定折叠、小体积、高亲和力这些需求;传统蛋白工程主要依赖天然模板不断改造,既耗时,也很难突破天然结构本身的限制。

大卫贝克团队于 2026 年 7 月 16 日发表了一项研究,在「De novo design of orthogonal far-red, orange, and green fluorophore-binding proteins for multiplexed imaging」中,团队提出了NovoTag技术路线。他们结合 AI 蛋白设计、结构预测和实验筛选,从零开始设计能够特异性结合不同荧光染料的新型蛋白标签,并进一步构建出一套适用于多目标荧光成像的蛋白—染料体系。



论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb0822

重新设计蛋白

过去,大多数荧光标签的发展都建立在天然蛋白基础之上。

研究人员通常会先找到一种能够与特定小分子结合的天然蛋白,再通过定点突变、定向进化等方法不断优化结合能力。这种策略已经取得了不少成功,但也存在明显局限:天然蛋白原本承担着各自的生物学功能,它们的结构并不是为了识别人工荧光染料而进化出来,因此能够优化的空间始终有限。

因此,研究团队选择了一条完全不同的技术路线。

团队借鉴了「伪环状结构」的思路:让蛋白质形成一个封闭的环状口袋,将染料包裹其中。这种结构在天然小分子结合蛋白中常见,但从未在「配体感知」的设计语境中被系统应用。他们希望直接设计一种全新的蛋白,让蛋白的空间结构从一开始就围绕目标荧光染料进行构建,而不是在天然蛋白基础上不断修补。



图 1:结合 Janelia 荧光染料蛋白的设计与表征。

技术上,团队使用了 Cα RFdiffusion——一种生成式深度学习模型——直接围绕每种染料的三维结构生成蛋白质骨架。这能让模型从起点就知道染料的位置和形状,在染料周围「生长」出合适的蛋白结构。随后用 LigandMPNN 为骨架赋予序列,并通过 Rosetta 计算结合能、AlphaFold2 验证序列-结构一致性,从数千个候选中筛选出高置信度设计,最终在酵母表面展示和流式分选中确认活性。

这些 Janelia Fluor 染料是人工合成的罗丹明衍生物,团队利用机器学习驱动的 de novo 蛋白设计,从零开始创造出了三种小型结合蛋白:NovoTag494、NovoTag596 和 NovoTag657,分别特异性地结合绿、橙、远红三种染料。

三种目标染料共享同一个罗丹明核心骨架,只是在边缘有细微的化学修饰差异。这种结构相似性对特异性提出了极高要求——结合蛋白必须像精密模具一样,识别出染料核心周围每一个取代基的微小差别。



图 2:利用 NovoTags 在活细胞和固定细胞中进行多重超分辨率荧光显微镜成像。

进入应用场景

对于蛋白设计而言,最大的挑战始终存在于计算预测与生物实验之间。一个在计算模型中看似完美的结合口袋,可能因为蛋白折叠不稳定、分子环境变化,或者细胞内部复杂条件影响,最终无法实现预期功能。

研究团队首先针对多种不同荧光染料设计候选蛋白标签,并通过实验筛选其中真正能够稳定表达、正确折叠并与目标分子结合的结构。结果显示,部分从头设计的蛋白能够实现高度特异性的染料识别,同时保持较小的蛋白尺寸和良好的稳定性。

此外,通过改变蛋白结合口袋的结构,不同 NovoTag 还能分别识别不同荧光染料。每一种标签都相当于一个独立的「分子接口」,能够与对应染料产生选择性结合,同时尽量避免与其他染料发生干扰。



图 3:基于荧光寿命的 NovoTags 多重成像显微镜技术。

如团队预期那般,AlphaFold 3的预测进一步证实,三种 NovoTag 与各自靶标染料形成的复合物获得了最高的置信度评分,它们对各自靶标染料的亲和力达到纳摩尔级别(Kd 分别为 19.1 nM、1.5 nM 和 2.0 nM),而对其他两种染料的特异性超过 1000 倍。

新一代的标记方式

NovoTag 展示的并不仅仅是一种新的荧光标签技术。它标志着蛋白质设计正在从「模仿自然」迈向「超越自然」——自然界从未进化出结合这些人工染料的蛋白,但计算工具让我们能够为任何小分子量身定制结合器。

当然,NovoTag 仍然面临进一步发展的挑战。例如,如何提高设计成功率、如何扩大可识别染料范围、如何让这些标签适应更加复杂的生物环境,都是未来需要解决的问题。据研究团队估算,若能结合先进的光谱解混技术和寿命区分,未来可能实现 30 种以上同时可分辨的探针。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
雷克萨斯新车官宣:11月3日上市,顶配25.23万

雷克萨斯新车官宣:11月3日上市,顶配25.23万

高科技爱好者
2026-10-25 22:46:11
基建周刊|原中央政治局常委吴官正:人情薄如纸!

基建周刊|原中央政治局常委吴官正:人情薄如纸!

观星赏月
2026-10-25 12:45:22
每一口瓶装水、外卖都重创肝脏!Nature子刊:微塑料「钻」进肝脏免疫细胞,削弱其清除能力,扰乱代谢,且高脂饮食还放大肝脏脂质沉积

每一口瓶装水、外卖都重创肝脏!Nature子刊:微塑料「钻」进肝脏免疫细胞,削弱其清除能力,扰乱代谢,且高脂饮食还放大肝脏脂质沉积

梅斯医学
2026-10-25 07:54:42
国内NBA直播冷清,观看人数暴跌70%?不是没人看了,而是路人盘流失,流量结构彻底变了

国内NBA直播冷清,观看人数暴跌70%?不是没人看了,而是路人盘流失,流量结构彻底变了

开成运动会
2026-10-25 19:17:20
北京16个老头每天早晨走8公里 不吸烟不喝酒,死了九个,他今年87

北京16个老头每天早晨走8公里 不吸烟不喝酒,死了九个,他今年87

阿莱美食汇
2026-10-27 01:23:32
江苏多所高校将用数字人民币发工资,数字人民币与银行卡发工资有啥区别?这一举措会带来哪些改变?

江苏多所高校将用数字人民币发工资,数字人民币与银行卡发工资有啥区别?这一举措会带来哪些改变?

闻号说经济
2026-10-26 17:26:14
安妮·海瑟薇挺孕肚宣传五部电影,直言全靠丈夫

安妮·海瑟薇挺孕肚宣传五部电影,直言全靠丈夫

追星雷达站
2026-10-26 02:07:11
蓝盈莹乌镇戏剧节被偶遇,和男友同游,路遇聋哑人求助暖心帮忙

蓝盈莹乌镇戏剧节被偶遇,和男友同游,路遇聋哑人求助暖心帮忙

萧狡科普解说
2026-10-26 16:47:37
3天倒计时!特朗普豁出去了:反正必败,先把伊朗打服再说

3天倒计时!特朗普豁出去了:反正必败,先把伊朗打服再说

陈腕特色体育解说
2026-10-26 20:06:18
WTI原油日内跌幅达3%

WTI原油日内跌幅达3%

每日经济新闻
2026-10-26 23:11:07
纳斯达克给科兴控股发了退市决定函,科兴疫苗再度被热议,当年打完三针的人该怎么理性看待这件事

纳斯达克给科兴控股发了退市决定函,科兴疫苗再度被热议,当年打完三针的人该怎么理性看待这件事

磊子讲史
2026-10-24 15:31:41
属羊人:十月下旬收住性子,贵人就在身边,惜缘才有收获

属羊人:十月下旬收住性子,贵人就在身边,惜缘才有收获

刺头体育
2026-10-27 01:03:46
1975年,江青与邓小平针锋相对,毛主席严批:文不对题

1975年,江青与邓小平针锋相对,毛主席严批:文不对题

扬平说史
2026-10-26 22:02:37
争议!张本智和夺冠后在林诗栋球迷面前做出挑衅动作 手指日本国旗

争议!张本智和夺冠后在林诗栋球迷面前做出挑衅动作 手指日本国旗

念洲
2026-10-26 06:53:21
法国冠军赛今日开赛,孙颖莎林诗栋,陈熠首秀,国乒传来两大惊喜

法国冠军赛今日开赛,孙颖莎林诗栋,陈熠首秀,国乒传来两大惊喜

陌识
2026-10-27 00:13:50
农村土地纠纷不用再吵了,2026年起,所有土地决定权都有一个标准

农村土地纠纷不用再吵了,2026年起,所有土地决定权都有一个标准

一曲一场談
2026-10-26 21:17:42
事态升级!精日留学生父母被扒,扬州公司洗白,后面的人憋不住了

事态升级!精日留学生父母被扒,扬州公司洗白,后面的人憋不住了

烈史
2026-10-24 09:47:39
领先10分后被打30比9,卫冕冠军开季0胜3负

领先10分后被打30比9,卫冕冠军开季0胜3负

绿茵狂热者
2026-10-27 03:17:29
一个演员,戏拍了七成,突然要求片酬翻倍,不给就罢演。导演二话不说,把已经拍好的几百盒胶片全烧了,说不要就不要了。

一个演员,戏拍了七成,突然要求片酬翻倍,不给就罢演。导演二话不说,把已经拍好的几百盒胶片全烧了,说不要就不要了。

二胡的岁月如歌
2026-10-14 17:51:34
中国U17女足队内人士:如果获得小组第二,那我们就太难了

中国U17女足队内人士:如果获得小组第二,那我们就太难了

懂球帝
2026-10-27 00:48:12
2026-10-27 03:56:49
ScienceAI incentive-icons
ScienceAI
关注人工智能与其他前沿技术
1437文章数 238关注度
往期回顾 全部

科技要闻

苹果发iPad mini 8:5499元起售 配A20 Pro

头条要闻

外媒称"中印边境发生冲突印度指责中国军队" 中方回应

头条要闻

外媒称"中印边境发生冲突印度指责中国军队" 中方回应

体育要闻

13年后重回诺坎普,穆里尼奥又滑跪了

娱乐要闻

胡歌杨幂刘诗诗袁弘陈龙结伴去埃及

财经要闻

卢锋:全球失衡背后 大国博弈与多边治理

汽车要闻

云辇-M上车 第二代海豹07让驾驶者也能爱上的家用车

态度原创

艺术
房产
教育
健康
公开课

艺术要闻

这才是真·泰剧一姐!写真一出,美貌身材实力三杀,网友:彻底服气!

房产要闻

海甸岛26万人,还缺一个年轻人“待得住”的地方

教育要闻

重磅2027年全国考公热降温了?应届毕业生考研就业留学怎样选?

痘痘能根治吗?皮肤科医生说实话

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版