研究人员经常通过化学附着“荧光团”来研究蛋白质或氨基酸等生物分子，“荧光团”是一种吸收并重新发射光能的敏感分子。

当被激光激活并通过高倍显微镜成像时，这些荧光团标签或标签会爆发出彩虹般的颜色和信息。它们提供了丰富的见解，例如可以帮助检测疾病或识别遗传状况。

为了一次检测多于一种类型的分子或“多重”测量，需要使用发射不同颜色光的其他类型的荧光团。但在单分子水平上区分不同的颜色却非常困难。这就是为什么大多数显微镜只能观察三到四种颜色。

研究人员可以使用先进技术打破这种颜色障碍，这些技术涉及数天的标记和成像，或者采用许多激光器的复杂设置。然而，找到一种简单而快速的方法来查看多种颜色仍然是一个重大挑战。

今天发表在《自然纳米技术》上的一篇论文概述了芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员针对这一挑战提出了一种新颖的解决方案。Squires实验室概述的一项新技术使用三种简单的化学构建模块来设计数十个“FRETflor”标签，创造出更美丽、更细致的颜色光谱，研究人员可以用它来标记生物分子。

“我们的方法更简单。这是一次标记，一次成像，”联合第一作者、芝加哥大学普利兹克分子工程博士JiachongChu说。候选人。“这意味着你可以用更少的钱做更多的事。目前，我们的新技术是该领域最好的。”

多路复用的新途径

单个分子较小，细胞样本相对较大、复杂且杂乱。该研究领域的最终目标(PME团队的论文比以往任何时候都更接近这个目标)是多重分析。

“多重样品意味着能够在同一次测量中测量不止一种分子，因此您可能有10种或50种或数百种不同的蛋白质需要识别，”NeubauerFamily分子工程助理教授Allison说道。侍从。“通过这项新技术，我们可以做几十个。我相信我们可以将其扩展到数百个。”

为了应对这一挑战，SquiresLab团队找到了一种使用成熟技术的创新方法：福斯特共振能量转移(FörsterResonanceEnergyTransfer)或FRET。FRET是一种描述能量如何在光敏分子之间转移的机制。这是研究人员测量分子不同部分之间的距离或报告两个分子何时相互作用的一种方法。FRET信号对参与荧光团的特性异常敏感，芝加哥大学团队使用荧光团来调整其FRET荧光标记。

“这个项目以一种新的方式利用FRET，”共同第一作者、博士生AyeshaEjaz说。化学候选人。“FRET通常用于测量距离和观察生物分子的动态。我们改变了供体和受体染料之间的间距，以产生不同的FRET效率和其他特性，我们用这些特性来识别不同的结构。”

PME团队研究中使用的27个标签是他们使用DNA、绿色花青染料(Cy3)和红色花青染料(Cy5)的简单组合设计的27个“FRETflors”。除了发出不同颜色的光之外，FRETflus还表现出其他可调节的特性，例如光子发射的时间或这些光子的方向。

基于ABEL陷阱的复杂样品中FRET荧光的检测。图片来源：《自然纳米技术》(2024)。DOI：10.1038/s41565-024-01672-8

结合起来，这些特性可用于在极低浓度下在几分之一秒内识别FRETflu。Ejaz表示，这项研究未来的一个可能方向是最终用这些FRET荧光取代普通荧光团标签。

“通常，当人们想要同时观察多个物体(例如细胞的不同部分)时，他们会用发出特定颜色光的不同荧光标签来标记每个组件。但荧光标签仅限于四种或五种颜色，”埃贾兹说。

“如果可以使用FRETflors，那么我们就可以增加荧光显微镜可用的‘颜色’数量。我们目前正在测试FRETflors在不同类型的实验和环境中的工作效果，这将使我们更好地了解所有的可能性。”

“我很高兴看到FRETflus投入使用，”她说。

灵敏度和简单性

对于Squires来说，新的多重技术的吸引力主要来自于灵敏度与简单性的结合。

“每个人都想对他们最喜欢的检测进行多重分析，并且有很多现有的策略在某些情况下会起作用，”她说。“当你有大量的时间，或者当你的样本已经死掉而没有任何东西移动时，有些技术会很有效。

“我们正在解决你没有大量时间的问题。你想知道某人患有什么疾病，但仍有时间对抗它，或者你只有极小的样本，你只需一次就能识别当每个分子流经您的通道时，我们可以在几分之一秒内识别低至数十飞摩尔浓度的FRET荧光分子。”

简单性是关键，既可以使用常见的化学品来制造FRET荧光，又可以开创一种只需要一个激光器即可进行读数的技术。

“我们只对目标进行一次标记，并且只进行一次读数，”Chu说。“在这种情况下，我们可以创建27个可以同时使用的不同标签。”

Squires描述了如何将现有技术与FRETflors一起使用以获得更多的多重增益——“你可以引入奇特的激光激发方案或合并具有稍微不同特性的其他荧光团”——这将改善现有标签的读数。

斯奎尔斯说，将这些乘数应用到他们的新的、更强大的技术中，可以开辟新的研究和应用的世界。

“这些对成像和基于流的生物医学检测的改进将实现下一代创新，”斯奎尔斯说。