[論文レビュー] Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) sensor

Syed Arshad Hussain, Dibyendu Dey+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2014

Electrochemical sensors and biosensors参考文献 6被引用数 26

ひとこと要約

このレビューは、最近の比色的FRETベースのセンサーにおける進展を統合し、生物学的および生物物理学的プロセスのモニタリングにおける感受性と選択性の高さを強調している。ドナーとアクセプターのフルオロフォア間のフォーラー共鳴エネルギー移動（FRET）を活用することで、in vitroおよびin vivoの両方で、分子間相互作用、コンformational変化、シグナル伝達イベントの定量的・リアルタイム検出が可能になった。

ABSTRACT

The applications of Fluorescence resonance energy transfer (FRET) have expanded tremendously in the last 25 years, and the technique has become a staple technique in many biological and biophysical fields. FRET can be used as spectroscopic ruler in various areas such as structural elucidation of biological molecules and their interactions, in vitro assays, in vivo monitoring in cellular research, nucleic acid analysis, signal transduction, light harvesting, and metallic nanomaterials etc. Based on the mechanism of FRET a variety of novel chemical sensors and Biosensors have been developed. This review highlights the recent applications of sensitive and selective ratiometric FRET based sensors.

研究の動機と目的

• 比色的FRETベースのセンサーに関する最新の発展を、多様な生物学的および生物物理学的応用分野にわたり包括的にレビューすること。
• FRETセンサー開発における感受性と選択性を向上させるための主要な設計原則を特定すること。
• FRETセンサーが生きた細胞内での動的分子間相互作用およびコンformational変化をモニタリングする上で有効であることを強調すること。
• 新規のフルオロフォアペアおよびナノ材料がFRETセンサー性能の向上に果たす役割を検討すること。
• in vitroおよびin vivoアプリケーションの包括的レビューを提供すること。具体的には、シグナル伝達、核酸分析、光捕集系の分野を含む。

提案手法

• 比色的FRETを用い、ドナーとアクセプターのフルオロフォア間のエネルギー移動効率を、アクセプター発光とドナー発光の比によって定量する。
• フォーラーの共鳴エネルギー移動理論を採用し、エネルギー移動効率がドナー-アクセプター間距離の逆6乗に依存することを前提とする。
• 標的結合ドメインに融合された遺伝子的にコードされたまたは合成フルオロフォアを組み込んだセンサーデザインをレビューする。
• 量子ドットや金属ナノ材料をFRETのドナーまたはアクセプターとして用いることで、発光強度と光安定性を向上させる応用を分析する。
• キャリブレーション曲線とコントロール実験を用いて、複雑な環境下でのセンサー性能を評価し、定量的正確性を確保する。
• FRETセンサーと他の検出法を比較し、動的範囲の広さとリアルタイムモニタリング能力の優位性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子間相互作用を検出するにあたり、比色的FRETセンサーを感受性と選択性の観点からどのように最適化できるか？
• RQ2 バイオスセンサー設計におけるFRET効率に影響を与える主な構造的および光物理学的要因は何か？
• RQ3 FRETセンサーは、細胞内シグナル伝達ダイナミクスのリアルタイム的・定量的モニタリングをどのように可能にするか？
• RQ4 新規フルオロフォアペアおよびナノ材料は、FRETベースのセンサー性能をどのように向上させるか？
• RQ5 FRETセンサーのin vivoアプリケーションにおける現在の限界は何か。それらはどのように克服されようとしているか？

主な発見

• ドナー発光とアクセプター発光の比が内部基準を提供するため、比色的FRETセンサーはバックグラウンド補正付きの定量的測定を可能にする。
• この技術は、タンパク質および核酸のコンformational変化をサブナノメートル分解能でモニタリングするために成功裏に応用された。
• FRETセンサーは、カルシウムフラックスやキナーゼ活性化を含む、生きた細胞内での動的シグナル伝達イベントの可視化に用いられている。
• 量子ドットおよび金ナノ粒子をFRETコンponentsとして統合することで、信号対雑音比と光安定性が向上した。
• 最近の進展により、複雑な生物学的環境下で小分子、イオン、酵素活性を検出可能なFRETセンサーの開発が可能になった。
• 本レビューは、FRETベースのセンサーが、高い特異性と時間分解能のおかげで、構造生物学、ドラッグスクリーニング、ライブセルイメージング分野で標準的なツールとして確立されたと結論づけている。