人造蛋白质中的量子自旋共振，实现多种传感功能

通过荧光将电磁场与生物过程耦合，彻底改变了定量生物学研究。同时，量子传感工具（即功能源于电子自旋或核自旋依赖过程的工具）因其在生物应用中的独特优势而得到发展，但直到最近，它们仍局限于使用非生物探针或在离体条件下进行测量。我们此前报道了源自LOV2结构域的磁响应荧光蛋白（MFP）变体库（广义上称为MagLOV）的开发，这些变体表现出具有大磁场效应（MFE）的荧光信号。本研究中，我们证明在室温下，可在表达这些荧光蛋白的活细胞中检测到光检测磁共振（ODMR），包括在单细胞水平。ODMR信号表明存在一个量子系统，其性质和动力学受局部环境影响，为细胞生物传感开辟了广泛可能性，其源于涉及蛋白质骨架和结合黄素辅因子的自由基对机制。

MFE和ODMR信号在标准宽场荧光显微镜下的细胞中易于检测，支持这一发现的进一步发展和应用。MFP相比其他生物自旋传感器候选物具有优势：可在宿主生物中直接表达，实现生物过程的直接耦合与调控；性能可通过基因工程改造，如定向进化。我们通过定向进化从AsLOV2 C450A出发，生成了MFE和ODMR特性优化的变体（如MagLOV 2、MagLOV 2 fast），证明了其可工程化潜力。

在活细胞中，反应产率检测磁共振（RYDMR，ODMR的一种）验证了自旋相关自由基对（SCRP）的存在。SCRP是瞬态反应中间体，由光引发电子从供体（如芳香族氨基酸）转移到受体（黄素单核苷酸FMN）形成。我们的实验显示，MagLOV在单个活细菌细胞中可产生约10%对比度的ODMR信号，单个细胞磁灵敏度达26 μT Hz⁻¹/²，通过对多个细胞平均可提高信噪比。静态磁场变化时，ODMR共振频率符合电子自旋共振关系，证实信号源于电子自旋跃迁。

光谱研究表明，MFP的荧光发射和磁场效应源于结合的FMN辅因子，其光化学过程遵循自由基对机制。通过定向进化，可优化MFP的MFE大小、饱和速率、ODMR对比度等指标，生成适用于不同场景的变体。例如，MagLOV 2 fast响应时间更短，利于快速检测。

MFP变体库在响应速率和幅度上存在差异，可用于多路复用。我们将表达不同MFP变体的细胞混合，通过机器学习分类算法基于MFE动态特征实现群体分解，且分类对散射或自发荧光引起的信号亮度变化具有鲁棒性。利用MFE的锁相检测，可在弱信号环境中区分极少量MagLOV表达细胞与EGFP表达细胞，平衡准确率约0.99。

在空间定位应用中，因ODMR共振条件依赖蛋白质所在位置的静态磁场，可利用梯度场（如MRI）通过散射无关的荧光测量确定MFP空间分布。我们构建了基于小动物MRI线圈的荧光MRI仪器，实现了三维体积中细菌细胞带深度位置的同时定位。此外，MagLOV的MFE会因与MRI造影剂相互作用而剂量依赖性减弱，表明其可感知周围分子微环境，如顺磁性物质的存在。

总之，本研究结果基于对磁敏感荧光蛋白量子力学特性的理解，为工程化生物系统提供了一套传感模式，代表了从量子生物系统到可工程化工具的范式转变，有望发展为基于量子的生物传感、测量和致动工具。