德国杜塞尔多夫大学对高特异性铁传感器开发新方法

为深入理解代谢过程，对生命体内关键元素的精准示踪至关重要。德国杜塞尔多夫大学（HHU）的研究人员近日开发出一种全新的计算机辅助方法，用于设计此类研究所需的生物传感器。他们在专业期刊《ACS传感器》上发表了相关成果，并介绍了基于此方法实现的铁离子传感器“IronSenseR”。

铁是生物细胞中不可或缺的微量必需元素。其浓度及其氧化还原状态——即它以二价铁离子（Fe²⁺）还是三价铁离子（Fe³⁺）形式存在——在细胞呼吸及微生物应激反应等核心代谢过程中扮演着关键角色。

“长期以来，实时观测活细胞内不稳定铁离子的动态变化一直存在技术局限，”本项研究的第一作者 Athanasios Papadopoulos 博士指出，“我们新型的生物传感器‘IronSenseR’使得这类实验成为可能，有助于揭示活细胞中铁元素的分布规律与生理功能。”

HHU结构研究中心（CSS）的研究团队开发了这种名为“CoBiSe”的新型计算机辅助方法，用于高效设计与快速构建基因编码的荧光生物传感器。该研究详细介绍了利用CoBiSe方法成功构建的、用于特异性检测二价铁离子的高选择性传感器“IronSenseR”。该传感器已在多种细菌系统（包括大肠杆菌、假单胞菌及谷氨酸棒杆菌）中成功应用，实现了对细胞内不稳定铁池动态变化的实时监测。相关应用研究是与 Julia Frunzke 教授、Thomas Drepper 教授、Michael Bott 教授的研究团队以及高级成像中心（CAi）合作完成的。

“这在生物传感器设计领域是一个重要进展，”该研究的通讯作者之一 Sander Smits 教授强调，“借助这类工具，我们能够更深入地解析细胞内的生命活动动态。”

另一位共同通讯作者 Christoph G. W. Gertzen 博士补充道：“该传感器能够实现对铁代谢的精准测量，为研究与铁相关的疾病机制提供了新的可能。此次成功开发预示着，通过‘CoBiSe’平台，我们不仅能够快速生产出针对其他代谢物或金属离子的基因编码生物传感器，还有望拓展至定制化功能蛋白（如酶）的理性设计领域。”

新型生物传感器开发方法：“CoBiSe——计算驱动的生物传感器设计”
CoBiSe是一种基于计算机辅助与结构生物学的系统化设计策略。该方法能够精准识别目标结合蛋白上与特定生物结构（如代谢物）选择性结合的关键位点，并将传感模块（通常携带荧光报告基团）嵌入这些位点。这些荧光模块使得目标分子在显微成像下得以可视化，从而揭示其在细胞内的时空分布。至关重要的是，传感模块的嵌入必须确保不干扰结合蛋白的天然功能。Smits教授指出：“与传统试错型方法相比，CoBiSe显著降低了开发功能性生物传感器所需的时间与资源成本，并加速了其实际应用进程。”

基于该方法开发的铁离子传感器IronSenseR具备高灵敏度，能够特异性检测二价铁离子（Fe²⁺），且不与三价铁离子（Fe³⁺）或其他二价金属离子发生交叉反应。

融入MibiNet研究网络
本研究是在HHU主持的跨学科研究项目“SFB 1535 MibiNet”（聚焦微生物网络）的框架下开展的。该项目致力于解析微生物间基于代谢物的通讯机制。在该项目的核心平台（Z01）中，由CSS与CAi联合开发的此类生物传感器，已成为一种重要的非侵入性分子工具，用于在活细胞中原位、实时追踪关键代谢物的动态变化。