超越自然进化！中国博后一作Cell论文：AI从头设计完美荧光标签蛋白丨将回国加入北京大学|北京大学|染料|细胞|罗丹明|荧光|蛋白质|超越自然进化

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

如果我们想观察活细胞的内部世界——蛋白质在忙碌工作，细胞器在有序运转，但问题在于，大多数蛋白质都是透明的，即使在显微镜下也根本看不见它们。于是，科学家发明了“荧光标签”——把荧光蛋白像小灯笼一样挂在目标蛋白质上，就能在显微镜下追踪它们。

对活细胞进行荧光成像，是现代生命科学的基石。几十年来，研究人员一直依赖从自然界“借”来的荧光蛋白或者经过大量改造的酶类作为标签。但这些天然荧光蛋白即使经过改造也总有不完美的地方，还没有一种荧光标签能将理想性能集于一身——高亮度、可逆结合、体积小以及在多种条件下保持稳定。

而现在，加州大学旧金山分校的研究团队给出了一个新的答案：用 AI 从头设计一个完美的荧光标签蛋白。这种名为Rhobin的从头设计的荧光标签系统，几乎满足了科学家对荧光标签的所有幻想。

2026 年 9 月 1 日，加州大学旧金山分校黄波团队与William F. DeGrado团队合作（陈昱达博士为第一作者），在国际顶尖学术期刊Cell上发表了题为：De novo pan-rhodamine binders for fluorescence microscopy from mammalian cells to extremophiles 的研究论文。陈昱达博士即将加入北京大学化学与分子工程学院，任独立 PI（特聘研究员、助理教授、博士生导师）。

研究团队开发了一种基于人工智能（AI）且具有理论依据的计算策略，从头设计了一类紧凑型泛罗丹明结合蛋白——Rhobin，其具有高亮度、可逆结合和极强稳定性，实现了优于现有荧光标签蛋白的活细胞/固定细胞成像、超分辨率成像和单分子成像，并支持在75°C下对极端嗜热微生物进行成像，而现有的工具无法实现这一功能。

蛋白质工程以天然蛋白质作为设计起点，已提供了大量工具，极大地改变了我们对生物学和治疗学的理解。例如，经过改造的蛋白质标签被广泛用作细胞和组织成像中的荧光标记。研究人员已从绿色荧光蛋白及其同源蛋白中改造出了大量荧光蛋白，这些荧光蛋白可自发氧化形成发色团。此外，研究人员还对能够结合天然荧光团的蛋白质进行了改造，将其开发为荧光标签，以克服荧光蛋白成熟缓慢和光谱范围有限的问题，但它们通常存在亮度较低或光稳定性较差的问题。还有一种策略是将酶改造为自标记标签，例如 HaloTag 和 SNAP-tag，它们能与携带荧光团的底物共价结合。

尽管取得了这些进展，但改造天然蛋白质仍耗时较长，并受到起始天然蛋白固有局限性的制约。例如，现有的荧光标签由于其来源的天然蛋白质在高温下不稳定，因此无法与生活在极端环境中的生物（例如嗜热菌）兼容。

相比之下，从头设计能够绕过起始天然蛋白的进化印记，使得人们能够在初始设计阶段就定制出具有所需特性的新工具。

科学家的“愿望清单”

在研究开始之前，研究人员列出了一份理想的荧光标签应具备的特性——

1. 超高亮度——单个分子也能看得清；

2. 广谱兼容——能配合多种不同颜色的荧光染料；

3. 可逆结合——染料“烧坏”了能自动更换；

4. 体积小巧——不影响被标记蛋白质的正常功能；

5. 超级稳定——在高温下也能工作；

6. 正交性——能与其他标签系统协同使用。

听起来像是天方夜谭？但Rhobin（Rhodamine binder）全都做到了。

“从头设计”：一场蛋白质的“上帝视角”工程

传统的蛋白质改造，就像修改一栋已有的建筑，你只能在原有结构上敲敲打打。而从头设计（de novo design）则像从零开始画一张蓝图，建造一座完全符合需求的理想建筑。

研究团队的目标是设计一类能够识别罗丹明染料家族的蛋白质。罗丹明（Rhodamine）是一类广泛使用的荧光染料，颜色覆盖从绿色到远红外，但它们有一个特点：存在两种形态——不发光的“内酯”形式和发光的“两性离子”形式。

研究团队想到：如果设计的蛋白质只结合发光形式的罗丹明，不就能实现“点亮即绑定”的效果吗？

他们的策略很巧妙：在蛋白质中设置一个带正电荷的精氨酸残基，专门吸引罗丹明分子中带负电的羧基；设计一个足够宽敞的结合口袋，容纳不同种类的罗丹明衍生物；用虚拟的“膨胀版”罗丹明作为模板，确保口袋空间充足。

最终诞生的Rhobin蛋白只有 17 千道尔顿大小——不到常用HaloTag标签的一半。

从头设计具有理想特性的泛罗丹明结合蛋白

令人惊讶的是，研究团队只设计了 9 种候选蛋白序列，其中 8 种就成功实现了与目标染料的结合。

最优秀的选手Rhobin9表现尤为出色：它与多种罗丹明染料的结合常数都在纳摩尔级别，这意味着极高的亲和力。更令人振奋的是，当研究团队解析 Rhobin9 的晶体结构时，发现其实际结构与设计模型惊人地吻合——两者的差异不到 0.7 埃，实现了原子级别的精度。

这证明了从头设计蛋白质的可行性和精确性。

真正的亮点：它到底有多好用？

1、比现有标签更亮

在活细胞成像实验中，Rhobin9 与 JF660 染料的组合产生的信号强度是传统 HaloTag 系统的数倍。这意味着你可以用更少的染料看到更清晰的图像。

2、“不怕死”的光稳定性

荧光染料有一个致命弱点：在强光照射下会不可逆地“光漂白”（photobleaching），就像灯泡烧坏了一样，对于传统共价结合的标签，一旦染料失效，那个位置就永远“黑了”。

但 Rhobin 的设计是可逆结合的——当一个染料分子被光漂白，它会自动脱落，新的染料分子随即顶上。这种“自我修复”能力让成像时间大大延长。

在超分辨率 STED 显微镜实验中，Rhobin 标记的样本可以连续采集 150 个时间点而几乎没有信号衰减，而传统 HaloTag 系统在同样条件下信号迅速下降。

3、实现单分子追踪

在极低染料浓度下，Rhobin 的瞬态结合特性允许研究人员以单分子精度定位蛋白质。更妙的是，由于可逆结合和溶液中大量游离染料的存在，这种系统可以持续产生新的可追踪事件。

在一项对比实验中，Rhobin 标记的蛋白质在 10000 帧的长时间采集中始终保持着稳定的检测密度，而传统共价标记的 HaloTag 在 40 秒后就几乎检测不到任何信号了。

4、75°C 高温下的生命奇迹

嗜极生物（extremophiles）是生活在极端环境中的微生物，例如在 75°C、pH 值为 2 的酸性温泉中生长的嗜酸热硫化叶菌（Sulfolobus acidocaldarius）。研究这些生物有助于我们理解生命的极限，但目前没有合适的荧光标签能在如此高温下工作。

研究团队将 Rhobin9 融合到嗜酸热硫化叶菌的两种蛋白质上——一种是细胞表面的 S 层蛋白 SlaB，另一种是核仁相关蛋白 Cren7。在 75°C 的活细胞成像中，他们首次观察到了这两种蛋白在细胞分裂过程中的动态变化，包括染色体分离和细胞分裂的时间顺序。这也是历史上第一次用荧光标记蛋白记录嗜热菌的生命周期。