胞内小分子代谢物在调控以及识别细胞各种生命活动中起到至关重要的作用。在过去的二十年里,研究者们通过不懈的努力提升遗传编码传感器的性能以达到有效监测细胞内小分子的目的。目前已经成功开发出大部分细胞内代谢相关信号的传感器,包括ATP, cAMP, cGMP, NADH, ROS,糖类,CO, NO等。当前,内源性遗传编码传感器已经成为单细胞内分子检测强有力的工具,它们具有实时监测,活细胞监测,高通量分析,高时空分辨率,对细胞本身的活动影响小等优势。本文的主要研究内容如下：(1)α-酮戊二酸(2OG)是表征细胞内碳氮营养状态的重要信号分子。α-酮戊二酸作为三羧酸循环中一个高度保守的代谢物,不仅在代谢过程中起到关键作用,同时也是多种生物体内的信号分子。追踪α-酮戊二酸对相关的细胞代谢和信号传导研究有重要意义。我们针对具有重要生理活性的α-酮戊二酸的原位分析,构建遗传编码荧光传感器,开展细胞内活性小分子原位分析及生物成像新方法研究。我们采用α-酮戊二酸特异性结合多肽(棕色固氮菌NifA蛋白的GAF结构域)作为敏感元件设计可用于实时动态监测细胞内α-酮戊二酸的荧光蛋白分子传感器。基于荧光共振能量转移的传感器能够响应α-酮戊二酸,动力学范围为100μM到10mM,符合活细胞体内的α-酮戊二酸浓度范围,可用于体内检测。通过结构域优化,得到了最大荧光比值为0.95的传感器,同未经优化的传感器比较信号提高了6倍。我们尝试将优化后的传感器表达到大肠杆菌中进行体内α-酮戊二酸代谢的研究,验证了该传感器在体外以及体内对α-酮戊二酸进行实时监测的可行性。(2)最新的研究表明,α-酮戊二酸不仅是三羧酸循环的重要代谢物,在癌细胞异常代谢,脑神经信号传导中也起到重要的作用。我们尝试基于黄色荧光蛋白YFP的传感器设计研究,进行了大量经验式的优化工作,并且借助生物信息学的方法对实验设计进行有指导性的摸索,得到的单荧光传感器也能很好的响应2OG,该传感器被应用于大肠杆菌细胞对不同营养环境响应的研究。(3)群体感应(简称QS)是存在于不同种细菌之间的普遍现象,它是指细菌通过生产和调节信号分子的方式来调节基因的表达以及种群密度的现象。QS调节系统在很多生物学功能中起到了重要的作用,例如生物发光,抗生素生产以及生物被膜的生成。信号分子3OC6HSL是自诱导分子酰基高斯氨酸内酯(AHL)的一种,它是海洋费氏弧菌的QS系统的调控分子。追踪监测3OC6HSL在QS系统的相关研究中有重要意义。我们采用海洋费氏弧菌QS系统的调控蛋白LuxR来设计针对3OC6HSL检测的传感器。并且验证该传感器在体外以及体内运行的可行性。