荧光蛋白中激子耦合导致的异常光物理现象及其对生物传感器设计的意义

《Biophysical Journal》：Anomalous photophysical behaviors attributed to excitonic coupling in fluorescent proteins.

本研究针对荧光蛋白（FPs）中是否存在普遍的激子耦合现象及其距离要求不明确的问题，通过构建单/双发色团荧光蛋白串联二聚体（TDs），发现其存在吸收红移、圆二色性Davydov分裂及荧光寿命缩短等激子耦合特征。光子反聚束实验证实双发色团TDs可作为单一量子单元发光，且激子作用距离可达20 nm（远超FRET极限）。该研究揭示了β-桶状结构是荧光蛋白在生理条件下实现激子离域的关键结构基础，为生物传感器优化和基因编码激子材料开发提供重要指导。

　　

荧光蛋白（FPs）作为数百种基因编码生物传感器的核心组件，其异常光物理行为被证实与激子耦合（即离域激发）相关。这种离域激发可能长距离改变荧光寿命、强度和光谱，因此评估其影响对生物传感器实验的设计解读及基因编码激子材料的开发至关重要。然而，激子耦合是否为所有β-桶状荧光蛋白的共性特征，以及其所需距离条件尚不明确。

为探究此问题，研究人员设计了含单个或双功能发色团的荧光蛋白构建体。在进化上差异显著的荧光蛋白串联二聚体（TDs）中，观察到吸收红移、圆二色性戴维道夫分裂（Davydov splitting）以及荧光寿命缩短等现象，证实了激子耦合的存在。光子反聚束统计进一步表明，双发色团串联二聚体可作为单一量子单元发光。即使当Venus-Venus发色团间距达20纳米（两倍于F?rster共振能量转移FRET的极限距离），仍观测到亚泊松光子统计特征，而间距扩大至60纳米时该现象消失。这些发现支持了保守的β-桶状结构是荧光蛋白在生理条件下实现激子离域的共同结构基础这一假说。