量子傳感工具憑借其在探測精度方面的優勢，成為生物學研究中極具潛力的工具。然而，現有多數量子傳感器仍局限于體外體系，面臨靈敏度有限、光穩定性不足等調制，嚴重限制了它們在活體環境中的實際應用。近年來，磁敏感蛋白（MFPs）因其可工程化改造和可內源性編碼表達等優勢而被開發出來，但其在在活體、單細胞水平中穩定可靠的檢測仍是挑戰性前沿。

近日，牛津大學Harrison Steel課題組開發了一類磁敏感熒光蛋白MagLOV。通過定向進化可以工程化這些蛋白質改變它們對磁場和射頻的響應性質。室溫下，MagLOV在活細胞中表現出光檢測磁共振，并在單細胞中仍表現出高信噪比。這種磁效應可通過自由基對機制解釋，涉及蛋白質骨架和結合黃素輔酶。利用磁效應和光探測磁共振，展示了MagLOV的多種創新應用，包括鎖定檢測的復用，利用MagLOV進行磁共振成像，分子微環境感測，為基于量子力學特性的生物傳感系統開發提供了新工具集。這項工作以“Quantum spin resonance in engineered proteins for multimodal sensing”為題發表在《Nature》上。

圖1. MFP中的磁效應（MFE）與光探測磁共振（ODMR）。

作者先前的工作開發了的磁響應熒光蛋白（MFP）變體文庫（也稱MagLOV?2），這些變體表現出具有強磁效應（MFEs）的熒光信號（圖1a）。通過自由基對模型在機理上解釋了磁場如何通過影響單重態/三重態互變來調控熒光（圖1b）。通過定制的熒光顯微鏡測量單個表達MagLOV2的活細胞的熒光強度，在10 mT磁場開關下MagLOV?2具有約50%的顯著變化（圖1c）。對比單細胞與細胞群體（1000個）的光探測磁共振（ODMR）信號表明單個細胞水平仍具有約10%的對比度信號，通過對多個單元進行平均，信噪比顯著提升（圖1d）。通過調整靜磁場時并記錄ODMR譜，ODMR共振峰發生線性偏移，并確認其驅動電子自旋躍遷（圖1e）。

圖2.MFE與ODMR動態特性的工程化改造。

通過定向進化，獲得了MFE飽和幅度更高的MagLOV2和響應速度更快的MagLOV2 fast蛋白變體（圖2a）。選擇四個變體進行表征，結果顯示不同蛋白變體的ODMR對比度和飽和速率具有顯著差異（圖2b），這表明可以獨立優化不同的性能指標，為信號正交編碼提供了可能。

圖3.光譜表征結果證明結合黃素的自由基對機制。

通過測量細胞中表達的MFP變體的熒光光譜，其由外磁場調制的波長分辨熒光強度與黃素單核苷酸（FMN）的特征發射光譜相匹配；激發光譜顯示振動精細結構，與AsLOV2 C的吸收光譜高度吻合，這些結果表明熒光來自結合的FMN（圖3a-c）。純化MagLOV2蛋白的光照吸收光譜顯示，在藍光照射數分鐘后形成了穩定的FMNH·自由基（圖3d）。因此，提出了一個包含光激發、電子轉移、磁場影響自由基對及最終產物形成的模型（圖3e）。

圖4.基于MFE的多重復用與鎖定應用。

MFP變體庫的MFE和ODMR表征在反應率和幅度上存在差異，因此可以利用MFP作為復用工具，從單一測量模態中提取多個信號。通過不同MFP變體MFE響應動力學（τ）的差異，利用機器學習分類器成功識別和分解預先混合的兩種細胞群（表達AsLOV R5和MagLOV 2）（圖4a-c）。在微流控芯片中，基于MFE的鎖定檢測能夠精確區分強表達（eGFP）和低表達（mCherry）的MagLOV細胞，分類準確率達99%，并量化了細胞個體和克隆群體間的變異來源（圖4d-h）。

圖5.利用ODMR進行空間定位。

在寬場顯微鏡下，利用永磁體產生的線性梯度磁場，使ODMR共振頻率在0.50 mm范圍內與樣本的空間位置（z軸）相對應，實現了類似于MRI的一維編碼成像（圖5a-b）。在定制化熒光MRI儀器上通過ODMR鎖定檢測，成功實現兩個表達MagLOV 2而在不同深度（真實距離為7.5mm）的細胞樣品的同時定位，誤差約為0.6 mm。這些結果表明MagLOV可作為光學MRI定位的熒光標記物。

圖6.基于MFE的局部微環境傳感器。

測量純化MagLOV2 fast蛋白在不同濃度的順磁性MRI造影劑（釓布醇）溶液中的MFE信號，結果顯示蛋白的MFE對比度隨釓濃度增加而下降，表明即使黃素結合在蛋白內部，MagLOV的傳感性能仍能敏感地反映周圍順磁性物質的濃度。這些結果說明MFP可以作為原位微環境傳感器。

總結與展望

這項工作通過定向進化成功改造出穩定且高度響應磁敏感熒光蛋白MagLOV，首次在活細胞、室溫下實現單細胞ODMR檢測，并系統展示了其多模態應用。MagLOV蛋白的熒光能夠通過磁場進行調制，實現多路復用；鎖定檢測突破了某些組織因信號質量差或自發熒光和散射等因素難以測量的局限；利用ODMR可以空間定位三維的熒光信號；磁共振感測用于確定微環境中順磁性分子（自由基或順磁性金屬蛋白）的存在。未來，MFP有望通過物理性能（如溶解度、光穩定性、光譜響應和量子產率）的改進來進一步增強其MFE和ODMR的特性，應用于磁控傳感器和細胞功能操控等。

來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09971-3

審核編輯 黃宇