圣彼得堡国立大学的化学家研制出用于研究细胞膜电位的传感器

细胞膜是一种由蛋白质和脂质组成的特殊结构，它将生物细胞的内容物与外部环境隔开，并保持其完整性。在现代生物学和医学中，人们特别关注膜电位变化的研究，即细胞膜内外两侧的电位差。这种差异源于细胞内外离子分布的不均匀。

该研究得到俄罗斯科学基金会的资助，也是圣彼得堡国立大学建校300周年的献礼。研究结果发表在 ACS Physical Chemistry Au杂志上并登上杂志封面。

膜电位的变化在神经冲动的传递、肌肉收缩和生物体运作所需的其他生理过程中起着关键作用。当发生病变时，这一特性就会发生变化：例如，癌细胞的膜电位明显低于健康细胞。

研究细胞膜电位变化的一种方法是使用特殊的荧光蛋白。在基因工程方法的帮助下，这种蛋白质被引入细胞，在光的作用下开始发光，发光强度由膜电位值决定。这种方法可以实时观察细胞内发生的过程，但由于信号微弱，使用荧光蛋白传感器的可能性有限。

圣彼得堡国立大学的科学家们与其他科研和教育机构的同事们一起，通过将几种方法结合起来，并利用定向演化和计算机设计方法，找到了显著增强蛋白质发光能力的方法。

研究过程中，化学家们研究了光敏膜蛋白archaeorhodopsin-3，但所使用的方法也可用于其他蛋白质的研究。

在之前的研究中，利用定向演化的方法（即模拟 "体外 "进化过程）发现了基于古紫质3的膜电位传感器的更亮变体。我们利用早先获得的该蛋白的一组相对明亮的突变体形式，并使用量子化学和生物信息学方法构建了它们的 "数字双胞胎"。

课题负责人、圣彼得堡国立大学医学化学系副教授、化学科学博士米哈伊尔·梁赞采夫

课题负责人、圣彼得堡国立大学医学化学系副教授、化学博士米哈伊尔·梁赞采夫说："这使我们能够确定不同形式蛋白质之间的差异，并为研究膜电位提出新的、更明亮的传感器变体。”

正如这位化学家所解释的，在定向演化过程中，会依次生成各“世代”的突变形式蛋白质，并带有随机分布的氨基酸替代物。在每一阶段，都会选出最 "适应 "的蛋白质，即发光能力最强的蛋白质。这些蛋白质被用来制造下一代蛋白质。这种方法使科学家们在缺乏蛋白质结构和控制某些特性的机制数据的情况下，也能获得 "改良 "的蛋白质。然而，正如这项工作的作者所指出的那样，这种方法并不总是能产生一组最佳的氨基酸替代物，就像在进化过程中，并不总是能形成一组最佳的生物特征一样。

科学家们在工作中使用了一个独特的共享中心，即圣彼得堡国立大学科技园的基础设施："分子和细胞技术开发"、"物质研究的光学和激光方法 "资源中心，以及莫斯科国立罗蒙诺索夫大学和彼得大帝圣彼得堡理工大学的设备。

根据计算机建模的结果，圣彼得堡国立大学的化学家们确定了哪些变体，即蛋白质中氨基酸的替代物会提高发光的亮度。结果发现，传感器的亮变体和暗变体之间的主要区别在于两个氨基酸残基的质子化状态。其中一个氨基酸残基在亮态时质子化，另一个在暗态时质子化，而这种转换则是通过质子沿"导线"从水分子转移而发生的，圣彼得堡国立大学的科学家利用计算机建模方法发现了这一点。

"我们获得的蛋白质传感器，即古紫质3的突变体与已知的变体相比有许多优点。它们的荧光更亮，而且可以使用 "红色 "激光激活它们，因为我们设法将它们的吸收光谱转移到了长波区域”，圣彼得堡国立大学医学化学系研究员德米特里·尼古拉耶夫解释说："这种辐射能更好地穿透生物组织，这对这些蛋白质的后续医学应用更有希望。”

改进型传感器可能会应用于生物医学研究，特别是借助荧光显微镜研究大脑和心脏的工作。借助具有更强荧光的蛋白质将能够使用特殊显微镜跟踪单个神经元电位的最快速变化。此外，所研发的蛋白质传感器还可用于研究治疗帕金森病和癫痫等脑部疾病的药物、研制治疗心血管疾病的药物以及诊断各种病症。

圣彼得堡国立大学是俄罗斯第一所大学，始建于 1724 年 1 月 28 日（2 月 8 日），当时彼得大帝颁布了关于建立圣彼得堡国立大学和俄罗斯科学院的法令。如今，圣彼得堡国立大学已成为世界一流的科学、教育和文化中心。2024 年，圣彼得堡大学将庆祝建校 300 周年。

俄罗斯政府副总理德米特里·车尔尼申科召开的庆祝圣彼得堡国立大学300周年组织委员会会议上批准了大学周年庆的活动方案。这些活动包括以圣彼得堡国立大学的名字命名一颗小行星，发行具有特殊设计的银行卡，为俄罗斯航空公司的飞机打上品牌等等。为纪念圣彼得堡国立大学建校 300 周年，还发行了纪念邮票，上面绘有十二院主楼以及乌瓦罗夫伯爵纪念碑。

根据圣彼得堡市长亚历山大·贝格洛夫的决定，北方首都的2024 年被宣布为圣彼得堡大学年。在圣彼得堡大学300周年校庆当天，将点燃海神柱上的火炬。宫殿桥上将挂上圣彼得堡大学的旗帜，公共交通工具上将装饰圣彼得堡大学的标志，新的城市旅游地图将标有圣彼得堡大学的建筑，并在其附近放置专题和历史资料。2024年5月，我校将参加城市日庆祝活动，著名的毕业生节日“红帆节”将专门庆祝圣大与俄罗斯科学院的周年纪念日。学校还专门为即将到来的节日开通了网站，介绍杰出校友、科学成就以及校庆筹备工作的详细情况。