新型生物传感器使细胞中可见控制激素生长素

生长素激素对于植物的发育至关重要。拜罗伊特大学和图宾根的马克斯·普朗克发育生物学研究所的科学家现在已经开发出一种新型传感器，该传感器可以实时显示植物体内植物生长素的空间分布。该传感器为研究人员打开了对植物内部运作的全新见解。而且，现在还可以迅速发现环境条件变化对增长的影响。研究小组在《自然》杂志上发表了研究结果。

植物激素生长素的作用在近100年前就已被科学地描述。今天，我们知道植物生长素控制着植物细胞中无数的过程，无论是种子中胚胎的发育，根系的形成，还是入射阳光的生长方向。在所有情况下，激素都具有协调植物对外界刺激的反应的功能。

为此，它必须始终存在于需要触发对外部刺激的反应的细胞组织中。实际上，通常在很短的时间内在细胞组织中非常不同的位置需要生长素。这导致快速的空间重新分布。使用新的生物传感器(简称为AuxSen)，可以首次实时观察这些过程的动态。光信号指示植物生长素在细胞组织中的位置。该传感器的特殊之处在于，它不是必须引入植物中的技术设备，而是植物经过改造后可以自行生产的人工蛋白质。

生物传感器的应用已经导致了一些令人惊讶的发现。一个例子是当植物倒挂时生长素的快速重新分布。当根尖不再指向下方而是对角线向上时，负责根生长的植物生长素分子会在一分钟内聚集在根尖的新底面上。一面朝上放置，生长素的旧分布仅需一分钟即可恢复。

蛋白质生物化学与植物生物学相结合

生物传感器的发展是多年跨学科合作的结果。拜罗伊特大学蛋白质设计教授BirteHöcker教授领导的团队以及马克斯·普朗克发育生物学研究所GerdJürgens教授领导的团队结合了自己的知识和多年经验。“可以预料，在未来的几年中，新型生物传感器将揭示出更多无法预料的对植物内部运作及其对外部刺激的反应的见解。传感器的开发是一个漫长的过程，我们已经获得了基本的见解。研究如何选择性地改变蛋白质以结合特定的小分子。” BirteHöcker教授说。

“新型传感器已经引起了人们极大的兴趣，可以预见的是，未来几年将开发出AuxSen的优化变体，以便能够更好地分析植物中各种生长素调节过程。最新一本《自然》杂志，我们希望鼓励科学界朝这个方向增加研究。到目前为止，我们的研究结果证明了该领域跨学科合作的丰硕成果。”马克斯·普朗克研究所的GerdJürgens教授解释说。图宾根的发育生物学研究。

生物传感器的优点：高信号质量和对生长素的最佳结合强度

生物传感器发展的最初阶段是细菌大肠杆菌中的一种蛋白质，该蛋白质与氨基酸色氨酸结合，但与化学相关的植物生长素的结合要差得多。该蛋白质与两种蛋白质结合，当用一定波长的光激发时，这两种蛋白质会发出荧光。如果这些伴侣蛋白彼此非常接近，则它们的荧光会大大增加。然后发生荧光共振能量转移(FRET)。

下一步至关重要：第一步是对蛋白质进行基因修饰，使其与生长素的结合更好，而与色氨酸的结合则不太好。同时，只有当蛋白质与生长素结合时，伴侣分子的FRET效应才应始终发生。考虑到这一目标，创建并测试了约2,000种蛋白质变体，直到最终发现满足所有要求的分子。因此，生物传感器AuxSen诞生了：强烈的荧光信号表明生命激素在细胞组织中的位置。

另一个挑战是使植物能够自己生产AuxSen。一方面，必须确保AuxSen能够与尽可能多的细胞中现有的生长素分子结合。这是完全绘制细胞中生长素空间分布并产生高信号质量的唯一方法。但是，另一方面，由于与AuxSen的结合，生长素分子在植物有机体中不能被永久地阻止完成其原始任务。

尽管如此，两个研究小组还是成功地找到了折衷方案。以某种方式对植物进行了遗传修饰，从而在整个细胞组织中产生大量的AuxSen。但是，只有在受到特殊物质的刺激后才会发生这种情况，然后才会持续很短的时间。这样，生物传感器就可以提供细胞内生长素分布的精确快照，而不会永久性地影响生长素控制的过程。

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