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
神经科主任提醒:脑梗最危险信号,不是头晕,是频繁出现5异常

神经科主任提醒:脑梗最危险信号,不是头晕,是频繁出现5异常

周哥一影视
2026-07-28 06:16:37
男人有没有钱,一看便知:不缺钱的男人,会有两个明显特征

男人有没有钱,一看便知:不缺钱的男人,会有两个明显特征

心理观察局
2026-07-25 06:53:04
离婚5年无声合体!赵丽颖冯绍峰6字官宣 打穿娱乐圈所有表演式深情

离婚5年无声合体!赵丽颖冯绍峰6字官宣 打穿娱乐圈所有表演式深情

可乐谈情感
2026-07-29 01:14:50
分析师Peter Zeihan炮轰SpaceX太空数据中心:蠢到没边,光散热片就要2500亿美元

分析师Peter Zeihan炮轰SpaceX太空数据中心:蠢到没边,光散热片就要2500亿美元

全栈遛狗员
2026-07-27 00:27:47
来真的?曝阿森纳已向维尼修斯提出报价:年薪2300万欧 待遇优于皇马

来真的?曝阿森纳已向维尼修斯提出报价:年薪2300万欧 待遇优于皇马

风过乡
2026-07-28 22:19:09
45岁仍拍三级片,败光两任亿万家产,62岁坦言后悔嫁给钟镇涛

45岁仍拍三级片,败光两任亿万家产,62岁坦言后悔嫁给钟镇涛

情感大头说说
2026-07-29 02:37:09
钱多有啥用?谢贤去世没几天,73岁陈凯歌近况被曝,身体已不对劲

钱多有啥用?谢贤去世没几天,73岁陈凯歌近况被曝,身体已不对劲

翰飞观事
2026-07-28 14:19:01
今夜,纳指深“V”大逆转!AI硬件继续“崩”,存储芯片、光通信集体暴跌!中概股拉升

今夜,纳指深“V”大逆转!AI硬件继续“崩”,存储芯片、光通信集体暴跌!中概股拉升

中国基金报
2026-07-29 00:22:46
美军惊出一身冷汗!伊朗特种兵深夜越境,连毙8名叛军司令

美军惊出一身冷汗!伊朗特种兵深夜越境,连毙8名叛军司令

菁菁子衿
2026-07-27 11:34:34
在神仙体系里,八仙到底是什么级别?

在神仙体系里,八仙到底是什么级别?

匹夫来搞笑
2026-07-27 15:29:48
第二个许家印!又一首富栽了!世界500强竟是假的,千亿帝国清零

第二个许家印!又一首富栽了!世界500强竟是假的,千亿帝国清零

阿绐聊社会
2026-07-07 05:55:20
马科斯没料到,美航母刚进南海,中方就不装了,10艘055集体亮相

马科斯没料到,美航母刚进南海,中方就不装了,10艘055集体亮相

菁菁子衿
2026-07-28 10:12:58
球报:迪奥曼德接近加盟森林,葡体获得4000万欧+500万欧+10%二转

球报:迪奥曼德接近加盟森林,葡体获得4000万欧+500万欧+10%二转

懂球帝
2026-07-28 19:29:32
张雪的“对手”跑了!贝纳利浙江三缸业务负责人"嘉兴小哥",发视频直言出国“看大家能拿我怎么样”

张雪的“对手”跑了!贝纳利浙江三缸业务负责人"嘉兴小哥",发视频直言出国“看大家能拿我怎么样”

火山詩话
2026-07-28 15:34:08
和富商分手后才发现怀了孩子,四十岁坚持未婚生子,如今十四岁女儿成了她最大的骄傲

和富商分手后才发现怀了孩子,四十岁坚持未婚生子,如今十四岁女儿成了她最大的骄傲

情感大头说说
2026-07-27 09:49:27
德艺双馨全是装的?潘婕撕开陈佩斯父子真实嘴脸,疑似晚节不保?

德艺双馨全是装的?潘婕撕开陈佩斯父子真实嘴脸,疑似晚节不保?

璀璨幻行者
2026-07-29 02:37:53
杀疯了!20个交易日暴跌63%,今日再迎10CM跌停,12万股民全线深套!

杀疯了!20个交易日暴跌63%,今日再迎10CM跌停,12万股民全线深套!

趋势清风侠
2026-07-28 14:33:43
著名相声演员常佩业去世,享年76岁!去年悼念老搭档:你先走一步,如果下辈子我们还能遇到就还做搭档

著名相声演员常佩业去世,享年76岁!去年悼念老搭档:你先走一步,如果下辈子我们还能遇到就还做搭档

都市快报橙柿互动
2026-07-28 19:34:44
全球没法上牌的赛车,被河源车管所搞定了——国内上牌界的3个魔幻操作

全球没法上牌的赛车,被河源车管所搞定了——国内上牌界的3个魔幻操作

侃故事的阿庆
2026-07-22 16:00:47
伊朗停火被质疑认怂,革命卫队直接告诉全世界,再打下去就上当了

伊朗停火被质疑认怂,革命卫队直接告诉全世界,再打下去就上当了

青青衫书生
2026-07-28 00:11:43
2026-07-29 04:20:49
ScienceAI incentive-icons
ScienceAI
关注人工智能与其他前沿技术
1363文章数 231关注度
往期回顾 全部

科技要闻

Kimi K3开放权重,想本地部署,200万元起

头条要闻

博主"听泉赏宝"炒股亏光父母积蓄遭拉黑 称"再玩剁手"

头条要闻

博主"听泉赏宝"炒股亏光父母积蓄遭拉黑 称"再玩剁手"

体育要闻

35岁德甲球星,退役半年后成了一名农民

娱乐要闻

43岁演员王凯去世!独居公寓无人知晓

财经要闻

潘老板的算盘全砸了,欠的25亿跑不了了

汽车要闻

宾利托卡尔重塑百年菱形美学,将于9月全球首秀

态度原创

房产
亲子
家居
健康
教育

房产要闻

拿下百亩宅地!又一河北民企,重仓海南!

亲子要闻

2026年3-12岁儿童维生素D选购指南及权威推荐榜单

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

中风急救吃安宫牛黄丸?千万别乱喂

教育要闻

地理学科,3大能力,90+的基本盘!

无障碍浏览 进入关怀版