重要跨膜信号的光监控及其应用

膜电位、钙浓度等跨膜信号的动态变化与脑及心脏等器官的生理及病理密切相关。测量和控制膜电位的膜片钳技术及测量钙信号的荧光成像技术极大地推动了生物医学的发展。"光基因学"(optogenetics)以及基因编码荧光探针的最新进展为在生物分子工程水平上实现跨膜信号的光监控提供了可能。基于全内反射荧光成像（TIRF）和基因编码钙探针（GECI），本项目提出对经由电压门控钙通道跨膜的局部钙进行动态监测。课题方案把膜电位的变化与GECI耦合，监测局部钙动态并反馈给光控基因从而实时控制膜的兴奋性。项目针对关键的负反馈控制回路，致力于实现新一代的膜片钳，即光基因钳（optogenetical clamp），并应用于神经元和心肌细胞。项目的完成将为多尺度水平上的电生理提供全新手段，对局部钙信号的监控分析及相关的技术突破也将在生物物理学、神经科学、分子影像、药物筛选等多个领域产生重大影响。

钙浓度、膜电位等跨膜信号的动态变化与脑及心脏等器官的生理及病理密切相关，对关键跨膜信号的定量检测及成像技术极大地推动了生物医学的发展。基因编码荧光探针及离子通道研究的最新进展为在分子水平上实现跨膜信号的光监控提供了可能。联合膜片钳电生理、计算机建模仿真、荧光成像和基因编码钙探针等重要方法，本课题对重要钙通道（如TRPP通道复合体）介导的钙信号进行了动态监测和分析。课题把离子通道电生理与荧光探针及成像耦合，成功实现了多种模态响应下全局及局部钙动态的实时监控；发现了重要离子通道的新颖钙峰响应及其钙调控机理，是感觉信号处理机制方面的重要突破。在本课题的资助下，我们还拓展了FRET核心技术，以满足对活体、活细胞上重要信号进行定量成像的需求。项目的完成为进一步在多尺度水平上的活细胞信号监控开辟了新的道路：本课题对钙通道新机理的阐明、局部钙信号的监控分析及定量荧光成像技术的拓展将在生物物理学、神经科学、分子影像、药物筛选等多个领域产生重要影响。