在国家自然科学基金项目（批准号：91753131、32088101、21673009、21521003、21937001）的资助下，北京大学邹鹏课题组与陈鹏课题组合作，利用生物正交蛋白质工程改造策略，开发出具有高灵敏度和高成像信噪比的复合型荧光膜电位探针HVI。该研究成果以“活神经细胞上基于视紫红质生物正交工程化改造的远红区荧光膜电位探针（A far-red hybrid voltage indicator enabled by bioorthogonal engineering of rhodopsin on live neurons）”为题，于2021年4月15号发表在《自然化学》（Nature Chemistry）期刊。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-021-00641-1。
利用荧光成像技术在高时空分辨下研究神经电活动可以帮助人们解读信息在大脑中编码、处理的机制。为此，神经科学工作者迫切需要能够在毫秒尺度下响应毫伏级膜电位变化的荧光探针。其中，发射波长在远红区（大于640 nm）的荧光探针由于其红移的光谱具有更强组织穿透能力，并且可适于多通路成像观测，因而备受研究人员青睐。然而目前可使用的远红区荧光膜电位探针在亮度和灵敏度等方面存在严重缺陷，限制了其在神经生物学领域的广泛应用。因此，研究团队设计将化学反应与蛋白质工程改相结合，对视紫红质蛋白在细胞原位进行“生物正交”化学修饰，获得结构新颖的复合型探针（图1），突破荧光蛋白的性能限制。研究者采用具有优良生物相容性及高反应性的逆电子需求的狄尔斯-阿尔德反应，将远红区发光染料引入视紫红质蛋白的特定位点。同时，研究团队对视紫红质的辅因子结合口袋中关键氨基酸残基进行突变筛选。双管齐下的策略最终使远红区复合型探针HVI-Cy5的亮度和灵敏度都获得了较大提升。该探针可与光遗传学工具联用，利用不同波长的激光对神经元膜电位同时进行调控和记录，实现快速评估药物对神经活动的影响。HVI-Cy5还可与其他荧光探针联用开展多通路成像，实现对膜电位及钙离子、神经递质等重要生理信号的并行观测。未来，该探针有望在药物筛选、神经活动监测等领域应用。
图1 膜电位探针HVI-Cy5实现光学调控和记录神经元膜电位