东京大学研究生院理学系研究科的那须雄介助教、上条由贵学术专门职员、Robert E. Campbell教授等的研究团队发表研究成果称，通过运用蛋白质工程方法，开发出了可观察活体小鼠体内乳酸的生物传感器。这一系列乳酸生物传感器被命名为LACCO，是世界上灵敏度最高的基因编码传感器，由于可以捕捉细胞内和细胞外乳酸的动态，成为揭示乳酸新作用的强有力工具。相关研究成果已刊登在《Nature Communications》上。
图1：乳酸生物传感器LACCO系列（供图：东京大学）
绿色荧光细胞外乳酸生物传感器eLACCO2.1（左上图），红色荧光细胞内乳酸生物传感器R-iLACCO1（左下图）。右图为有无乳酸时激发光谱和荧光光谱的变化。
人脑虽然只占总体重的2%左右，但却消耗了摄入总能量的约20%。长期以来，人们一直认为葡萄糖是神经细胞的主要能量物质，而乳酸只是代谢的副产物。但近年来，有学者提出乳酸在神经细胞中被用作能量物质的看法，但要验证这一点，就需要观察细胞内外的乳酸动态。
东京大学的上述研究团队此前虽已开发出细胞外乳酸生物传感器（eLACCO1.1，Nasu et al. Nat. Commun. 12, 7058, 2021），但其灵敏度还无法应用于活体动物。此外，生物体内细胞内乳酸动态的可视化一直较为困难。
此次，研究团队利用一种名为“定向进化（directed evolution）”的蛋白质工程方法，开发出细胞外乳酸传感器（eLACCO2.1）和细胞内乳酸传感器（R-iLACCO1）。为了可视化细胞外乳酸，将传感器分子设计为在细胞膜表面表达。这些乳酸传感器具有世界上最高的乳酸灵敏度，在响应乳酸浓度变化的荧光信号变化方面比传统传感器灵敏100倍，并成功将活体小鼠大脑神经细胞内外的乳酸动态可视化。此外，通过同时使用不同的荧光波长（细胞外用绿色，细胞内用红色），还成功地同时可视化细胞内外乳酸的动态。
实验成功捕捉到了胰岛素刺激活体小鼠使神经细胞外的乳酸浓度降低，以及空气刺激胡须使神经细胞内的乳酸浓度发生变化的样子等。
长期以来，乳酸一直被视为代谢副产物或肌肉疲劳物质等负面分子。使用LACCO系列进行的研究有望证明乳酸实际上是大脑活动极其重要的能量来源。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature Communications
论文：Lactate biosensors for spectrally and spatially multiplexed fluorescence imaging
DOI：10.1038/s41467-023-42230-5
