综述：荧光蛋白：从细胞到材料科学极端环境的旅程

这篇综述系统阐述了荧光蛋白（FPs）从生物成像工具到材料科学功能元件的演进历程，重点介绍了通过结构引导突变优化小超红荧光蛋白（smURFP）的光声成像性能、可逆开关基因编码指示剂（rsGEIs）的开发，以及通过超分子稳定化和基因编码大寡聚化技术提升其在非生物环境中的稳定性，同时探索了其圆偏振发光（CPL）特性在可持续光子学中的应用潜力。

　　

摘要
荧光蛋白（FPs）从最初的生物成像标记物发展为材料科学中的功能性元件，其应用领域不断扩展。通过结构引导的突变策略，小超红荧光蛋白（smURFP）被优化用于光声成像（OA），其非辐射衰变特性通过疏水性和芳香族氨基酸替换得到增强。可逆开关基因编码指示剂（rsGEIs）的引入，将传统传感器的分析物响应能力与可逆开关荧光蛋白（RSFPs）的光切换特性相结合，为超分辨显微技术和光声成像提供了新工具。

生物成像——从蛋白质结构到定制光物理学
smURFP的工程化改造展示了结构生物学在成像技术中的关键作用。通过改变色素结合口袋的极性，突变体如C52I和Y56L实现了吸收光谱红移和光声信号增强。多模态激光光谱仪（MLS）研究揭示了吸收光谱与光声光谱的差异，强调了聚集状态和异构体对信号效率的影响。此外，基于绿色荧光蛋白-钙调蛋白-M13肽（GCaMP5G）的钙传感器rsGCaMP，通过配体依赖性光切换行为，实现了超分辨成像和光声成像的双重应用。

蛋白质工程在材料科学中的应用
荧光蛋白在材料科学中的稳定性挑战通过超分子策略得到解决。例如，壳聚糖亲和蛋白（CAP）与荧光蛋白的融合构建了基于荧光共振能量转移（FRET）的传感器，用于实时监测纳米颗粒完整性。羟基丙基纤维素（HPC）基质通过氢键锁定smURFP的折叠构象，显著提升了其在固态环境中的稳定性。基因编码的大寡聚化技术（如LEGFP）通过亮氨酸拉链基序的融合，实现了对有机溶剂和合成聚合物环境的耐受性，同时保持了荧光量子产率。

荧光蛋白的其他应用潜力
荧光蛋白的圆偏振发光（CPL）特性首次被系统研究。配体依赖性荧光蛋白（如UnaG和iRFP720）显示出显著的CPL信号，其发光不对称因子（g_lum）和CPL亮度（B_CPL）分别达到?1.3×10^?2和?425 M^?1 cm^?1。β-桶状结构的荧光蛋白（如mGreenLantern）因色团刚性和手性环境表现出优异的CPL性能，为可持续光子材料提供了新方向。

未来展望
整合蛋白质工程与材料科学需要开发新型生物可降解聚合物以维持蛋白质的光学活性。机器学习在预测蛋白质-材料相互作用中的应用将加速功能性生物材料的开发。荧光蛋白作为生物相容性发光元件的潜力，在环境传感器、纺织品和电子器件中具有广阔前景。