東京大學研究生院理學系研究科的那須雄介助教、上條由貴學術專門職員、Robert E. Campbell教授等的研究團隊發表研究成果稱，透過運用蛋白質工程方法，開發出了可觀察活體小鼠活體內乳酸的生物感測器。這一系列乳酸生物感測器被命名爲LACCO，是世界上靈敏度最高的基因編碼感測器，由於可以捕捉細胞内和細胞外乳酸的動態，成爲揭示乳酸新作用的強有力工具。相關研究成果已刊登在《Nature Communications》上。
圖1：乳酸生物感測器LACCO系列（供圖：東京大學）
綠色螢光細胞外乳酸生物感測器eLACCO2.1（左上圖），紅色螢光細胞内乳酸生物感測器R-iLACCO1（左下圖）。右圖爲有無乳酸時激發光譜和螢光光譜的變化。
人腦雖然只佔母體重的2%左右，但卻消耗了攝入總能量的約20%。長期以來，人們一直認爲葡萄糖是神經細胞的主要能量物質，而乳酸只是代謝的副產物。但近年來，有學者提出乳酸在神經細胞中被用作能量物質的看法，但要驗證這一點，就需要觀察細胞内外的乳酸動態。
東京大學的上述研究團隊此前雖已開發出細胞外乳酸生物感測器（eLACCO1.1，Nasu et al. Nat. Commun. 12, 7058, 2021），但其靈敏度還無法應用於活體動物。此外，生物活體內細胞内乳酸動態的視覺化一直較爲困難。
此次，研究團隊利用一種名爲「定向進化（directed evolution）」的蛋白質工程方法，開發出細胞外乳酸感測器（eLACCO2.1）和細胞内乳酸感測器（R-iLACCO1）。爲了視覺化細胞外乳酸，將感測器分子設計爲在細胞膜表面表達。這些乳酸感測器具有世界上最高的乳酸靈敏度，在響應乳酸濃度變化的熒燈火信號變化方面比傳統感測器靈敏100倍，併成功將活體小鼠大腦神經細胞内外的乳酸動態視覺化。此外，透過同時使用不同的螢光波長（細胞外用綠色，細胞内用紅色），還成功地同時視覺化細胞内外乳酸的動態。
實驗成功捕捉到了胰島素刺激活體小鼠使神經細胞外的乳酸濃度降低，以及空氣刺激鬍鬚使神經細胞内的乳酸濃度發生變化的樣子等。
長期以來，乳酸一直被視爲代謝副產物或肌肉疲勞物質等負面分子。使用LACCO系列進行的研究有望證明乳酸實際上是大腦活動極其重要的能量來源。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Communications
論文：Lactate biosensors for spectrally and spatially multiplexed fluorescence imaging
DOI：10.1038/s41467-023-42230-5
