生物发光是一些生物产生光的自然化学过程，使萤火虫闪烁，一些水母发光。长期以来，科学家们一直有兴趣借用这些动物发光基因的秘密，在脊椎动物身上创造类似的效果，用于各种生物医学应用。
加州大学圣克鲁斯分校生物分子工程助理教授Andy Yeh正在设计一种完全人造的蛋白质，这种蛋白质可以产生生物发光，作为生物成像、诊断、药物发现等方面的非侵入性方法。发表在旗舰杂志《化学》上的一篇新论文报道了Yeh和他的团队设计的一系列新的生物发光蛋白，这些蛋白体积小，效率高，高度稳定，可以产生多种颜色的光，用于细胞和动物模型的实时成像。
这个设计自然界中不存在的蛋白质的领域，被称为“从头开始的蛋白质设计”，最近为一组科学家赢得了2024年诺贝尔化学奖，其中包括叶的博士后导师大卫·贝克。本文中描述的蛋白质是使用Baker团队开发的深度学习蛋白质设计软件以及DeepMind开发的蛋白质结构预测方法创建的，DeepMind的创始人也获得了诺贝尔奖。
许多研究人员和临床医生使用荧光成像技术来了解疾病，帮助药物发现等等。荧光探针需要外部激发光才能发光。当外部光线照射在组织上时，每个细胞都会做出反应，产生大量的背景光，这使得研究人员或临床医生更难区分他们想要寻找的是什么。
生物发光成像的不同之处在于它是“无兴奋”的-；整个发光过程发生在化学反应水平上。生物发光不会产生背景光反应，这使得它对组织深处的特征（如肿瘤）成像更加有效。
这篇论文表明，研究人员的发光蛋白在分子、细胞和整个动物的水平上起作用，使其更适用于不同类型的科学研究。它特别适合于非侵入性体内成像，因为它可以实时显示组织深处的生物过程信息，而无需从体内取出样本。
这些特别设计的蛋白质是“正交的”，它们的反应中心与设计的发光分子的形状高度匹配。这意味着设计酶不会与研究人员或临床医生同时使用的其他类似分子发生反应。
Yeh说：“设计的反应是非常特殊的，所以它可以与现有的发光酶结合使用，因为这种酶可以识别不同的分子。”“人们已经在使用自然界中发现的发光酶进行许多生物研究，我们不是在重新发明轮子。我们正在创造更多的工具包，这些工具包可以更好地工作，并可以与科学界熟悉的生物发光工具结合使用。”
Yeh和他的团队还开发了一种方法来改变蛋白质发出的光的颜色。通常情况下，这些酶会发出蓝光，但通过有效的能量转移过程，研究人员使其能够发出绿色、黄色、橙色和红色的光。这将允许研究人员或临床医生监测各种不同的生物特征，称为“多路复用”，这对于研究癌症发展等复杂过程非常重要。
新生蛋白具有高度的热稳定性，这意味着它们不会在高温下展开，这与其他自然产生的生物发光酶不同。高度稳定的蛋白质将更容易用于即时诊断，因为它将减少在低温下专门运输的需要。
Yeh说：“我们现在已经生产出具有理想蛋白质折叠的发光酶，自然界在进化过程中并不总是需要优化。”“这是我们第一次证明人工发光酶可以在脊椎动物体内产生足够的光子来进行生物成像。计算蛋白质设计方法变得越来越好，我们设计的酶也会变得越来越好。我相信大卫·贝克所说的非常正确：这只是重新设计蛋白质的开始。”
