左侧，应用于哺乳动物细胞的改良荧光素酶产生了一个酸度 “交通信号灯”：pH 值为 6（红色）、7（黄色）和 8（绿色）；右侧是 2006 年在巴西圣卡洛斯联邦大学（UFSCar）索罗卡巴校区发现的萤火虫。图片来源：Gabriel Pelentir 和 Vadim Viviani

一种源自巴西圣卡洛斯联邦大学（UFSCar）索罗卡巴校区所发现的萤火虫体内的酶的编码基因，催生了一种生物传感器，它能够检测哺乳动物细胞中的 pH 值变化。例如，这在研究疾病以及评估候选药物的毒性方面可能会很有用。

来自维氏光萤（Amydetes vivianii）的荧光素酶，在成纤维细胞（结缔组织中最常见的细胞类型）中，随着酸度降低，会从蓝绿色变为黄色和红色。它以很强的强度和稳定性做到这一点，这是该研究小组测试过的其他荧光素酶所无法实现的。

这项研究成果发表在《生物传感器》杂志上。

荧光素酶是在生物发光生物体内发现的酶，它们通过氧化荧光素（在这个过程中也必须存在的一种化合物）来产生光。目前正在研究的这种荧光素酶来自于 2006 年由该研究的协调人之一、圣卡洛斯联邦大学（UFSCar）生物化学与生物发光技术实验室协调员瓦迪姆・维维亚尼（Vadim Viviani）发现的一个物种。他的研究小组在 2011 年克隆了这种酶。

“在细胞内部，pH 值的变化可以指示诸如体内平衡、增殖和细胞死亡等过程。例如，我们的技术有潜力用于研究疾病或药物毒性，” 该文章的第一作者、圣保罗天主教大学（PUC-SP）索罗卡巴校区医学与健康科学学院的凡妮莎・贝维拉夸（Vanessa Bevilaqua）指出。

这项工作是在圣卡洛斯联邦大学（UFSCar）维维亚尼以及圣保罗天主教大学（PUC-SP）埃利亚娜・杜克（Eliana Duek）所协调的实验室中进行的。

该小组测试的其他荧光素酶产生的是偏红色的光，在哺乳动物细胞发挥功能的 36 摄氏度温度下，颜色变化较小。

“这种新型荧光素酶经过了改良，以便在哺乳动物细胞中更好地表达。除了光的颜色变化范围更广之外，它还具有更高的稳定性，并能发出更强的光（强度）。这项技术无毒，而且不像荧光（另一种利用光来研究细胞的方法）那样依赖外部光源，” 维维亚尼解释道。

除了使用光检测相机捕捉生物发光图像之外，该小组的测试还表明，即使使用智能手机相机，也能够拍摄到哺乳动物细胞中荧光素酶发出的光。

在最初的 30 分钟内，发光强度很高，然后开始减弱。尽管变弱了，但至少还能持续 12 个小时 —— 不过只有使用先进的光检测设备才能检测到。

“通过这种方式，就有可能利用光的颜色来指示包括人类细胞在内的细胞内部的 pH 值，并推断是否存在细胞应激或其他与酸度相关的效应。这是前所未有的，而且是我们完全在巴西开发出来的成果，” 维维亚尼补充道。

这项工作是由维维亚尼协调的 “用于免疫测定、环境分析和生物成像的生物发光输入的开发” 项目的一部分。

在之前的研究中，研究人员已经开发出利用另一种萤火虫（大光萤属，Macrolampis）的荧光素酶来指示细菌细胞 pH 值的方法。

然而，当在哺乳动物细胞中进行测试时，大光萤属荧光素酶发出的生物发光非常偏红，并且随着 pH 值的变化而变化很小，在 36 摄氏度以上缺乏稳定性，降低了对这种细胞类型所需的效能。

在疫情期间，维维亚尼的研究小组还开发了一种基于维氏光萤（Amydetes vivianii）荧光素酶的免疫测定法来检测新冠病毒（COVID-19），当这种荧光素酶与新冠病毒（SARS-CoV-2）的抗体接触时就会发光。

随着现在这项工作的完成，由圣卡洛斯联邦大学（UFSCar）这位教授领导的实验室，已经拥有了用于生物发光研究和应用的独特基础设施，同时也获得了对哺乳动物细胞进行生物发光测试的能力。

这将使该实验室既可以用这种荧光素酶开展新的研究，也能够测试作为其实验室收藏一部分的其他荧光素酶，这些荧光素酶是研究人员在 30 多年的时间里主要从巴西昆虫身上收集而来的。

“有了这项进展，我们开辟了一系列可能性，从用于药物和化妆品毒性的生物测定，到生物材料对人类细胞的影响，甚至是研究癌细胞的新方法，” 贝维拉夸总结道。

更多信息：Vanessa R. Bevilaqua 等人，《用于哺乳动物细胞 pH 传感的新型更亮生物发光报告基因和颜色可调荧光素酶的选择与工程》，《生物传感器》（2025 年）。DOI：10.3390/bios15010018

由圣保罗研究基金会（FAPESP）提供