论文标题：Reinvestigation of Absorption Spectroscopic Thermal Dynamics of Archaerhodopsin 3 Based Voltage Sensor QuasAr1

论文链接：https://www.mdpi.com/2306-5354/12/12/1293

期刊名：Bioengineering

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/bioengineering

2026年诺贝尔生理学或医学奖于10月5日揭晓，授予Karl Deisseroth、Peter Hegemann与Georg Nagel三位科学家，以表彰他们在光控离子通道与光遗传学领域的开创性发现。本论文作者之一为本届诺奖得主、柏林洪堡大学 Peter Hegemann 教授，聚焦探索具有光电传感效应的蛋白探针QuasAr1在室温黑暗条件下的降解机制。

蛋白质QuasAr1 由源自嗜盐古菌(Halorubrum sodomense)的古紫质3(Archaerhodopsin 3)经定向进化改造而来，属于微生物视紫红质类基因编码荧光电压指示剂（GEVI）,被广泛用于于生物膜电位测定的光学电生理学研究。它通过荧光信号读出神经细胞与心肌细胞的膜电位变化，在神经科学与心脏科学的光学电生理学中作为跨膜电压探针广泛应用。本文从理论层面，对基因编码微生物视紫红质荧光电压探针 QuasAr1 在室温避光条件下的长时间荧光吸收光谱演变规律进行了重新探究。采用微分方程组对光谱动力学过程进行建模，并通过数值方法完成方程求解。通过将模拟计算结果与实验数据拟合比对，精准确定了各项反应动力学参数。

1.实验设计

研究采用 3 mm 光程石英微池测量透射光谱（Cary 50 分光光度计），在不同储存时间点采集QuasAr1的荧光吸收光谱。光谱数据处理基于瑞利散射与米氏散射理论，分析了750 nm波长透明区的衰减演化，扣除散射贡献后还原吸收系数谱；对发色团的基态异构化与去质子化过程建立微分方程组，数值求解并拟合实验数据，确定各反应参数与吸收截面。

2.关键结果

2.1. QuasAr1的异构化与脱质子化机理

初始状态下，质子化视黄醛席夫碱（PRSB）基团Ret_580（可能处于全反式构象）由两种基态异构化组分 Ret_580I 和 Ret_580II 构成，二者差异可能源于脱辅基蛋白在视黄醛席夫碱辅因子周围相邻氨基酸排列的不同。其中，Ret_580I 以中等速率异构化为 Ret_500（推测为蛋白环境I中的13-顺式构象），而 Ret_580II 则缓慢异构化为 Ret_460（推测为蛋白环境II中的13 -顺式构象）。随后，Ret_500 与 Ret_460 分别发生去质子化，转变为中性视黄醛席夫碱（RSB）Ret_405 与 Ret_340。上述过程如图1所示。

图1. 室温避光条件下，pH 8的Tris缓冲液中QuasAr1的降解过程

2.2. QuasAr1热动力学的数值模拟结果

采用微分方程组对上述过程进行了模拟，模拟结果如图2所示。Ret_580_I 的数密度快速下降，进而引起 Ret_500 数密度的迅速上升；随后 Ret_500 缓慢衰减为 Ret_405。与此同时，Ret_580_II 的数密度缓慢下降，促成 Ret_460 的生成。由于 Ret_460 向其去质子化产物 Ret_340 转化的时间常数小于其自身的生成速率，Ret_460 的数密度始终维持在较低水平。相比之下，Ret_405 与 Ret_340 的数密度则随储存时间持续累积、逐步增长。

图2. QuasAr1降解过程中各物质随时间变化规律的数值模拟结果

3.研究总结

本文在之前的研究基础上，对基于古紫质3(Archaerhodopsin 3)的电压探针QuasAr1的吸收光谱进行了细致的重新测量与分析，将测量结果使用微分方程组进行数值模拟，实验与理论相结合的考察有助于模型的完善并避免误判，从而得以定量计算各项反应参数。结果表明 QuasAr1 在初始形态下大约可稳定使用 10 小时，此后会因蛋白聚集与基态异构化而开始发生修饰；需要指出的是，本文针对 QuasAr1 获得的热动力学结果不能用于推测其他古紫质3(Archaerhodopsin 3)的电压探针的热动力学过程，每种基于微生物视紫红质的电压传感器的热稳定性都需要逐一单独研究。

原文出自 Bioengineering 期刊

Penzkofer, A.; Silapetere, A.; Hegemann, P. Reinvestigation of Absorption Spectroscopic Thermal Dynamics of Archaerhodopsin 3 Based Voltage Sensor QuasAr1. Bioengineering 2025, 12, 1293. https://doi.org/10.3390/bioengineering12121293

Bioengineering期刊介绍

主编：Anthony Guiseppi-Elie, Texas A&M University, USA

期刊专注于发表生物医学工程及应用，生物分子、细胞和组织工程及其应用，生物工艺和生物系统工程及应用，生物化学工程与应用，生物信号处理与分析，仿生学与生物控制论，生物电子学和转化生物工程等相关的最新科学技术及应用等相关的研究成果。刊载研究论文、综述及短讯，鼓励学者发表详细的实验和理论结果。期刊已被PubMed、Scopus、SCIE (Web of Sciences) 等数据库收录。

2025 Impact Factor：4.4

2025 CiteScore：7.5

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Acceptance to Publication：2.8 Days