基于荧光寿命和光谱的多重活细胞成像，不同的色彩信号依次叠加

日常生活中，我们依赖色彩来分辨万物。试想，如果世界失去了颜色，我们将如何区分不同的物体？而在细胞世界里，这正是科研人员面临的现实——生命的微观活动常常是“无色”的。

为了看清细胞内的物质，科学家们将目标分子标记上荧光分子。在特定激发光的照射下，这些分子发出荧光，从而“点亮”所要观察的对象。荧光蛋白(FP)的发现，因此荣获2008年诺贝尔化学奖。

然而，生命的复杂性远超想象。即使拥有多种荧光颜色，仍难以同时追踪多个动态过程，而新颜色的开发又受限于可见光谱的物理边界。色彩已近极限，路在何方？

张鑫另辟蹊径，将目光投向了荧光分子超越颜色的新维度：荧光寿命。

北京时间2025年9月22日23时，张鑫团队在《细胞》（Cell）杂志发表研究成果，提出一种全新策略：不再局限于颜色，而是通过调控荧光蛋白的发光时间——即荧光寿命——创造出具有不同寿命的荧光蛋白变体。这一技术被称为时间分辨荧光蛋白（tr-FP），覆盖全可见光谱（383–627 nm），并实现1-5ns的宽范围荧光寿命调控。

看似微小的一步，却为生命观测系统扩容数倍，让我们得以更清晰地窥见生命运行的细节。

扫码收听张鑫教授聊研究背后的故事

论文地址

www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)01027-X

Part 01

水母发光的秘密

关于荧光蛋白的故事始于1962年，当时日本科学家下村修在研究发光水母时，意外发现了一种在紫外光照射下能发出明亮绿色荧光的物质。这就是后来被人们所熟知的绿色荧光蛋白（GFP）。

在随后的几十年里，全球众多科研人员不断努力，不仅大幅提升了荧光蛋白的亮度和光稳定性，更关键的是拓展了色彩的丰富度，诞生了诸如蓝色（BFP）、青色（CFP）、黄色（YFP）和红色（RFP）等一系列荧光蛋白变体，构成了五彩斑斓的“荧光蛋白调色板”。

然而，生命活动如此复杂，需要同时观察的目标太多，而颜色却是有限的。不同荧光信号之间常常相互干扰，就像同时播放多首歌曲，难以分辨每一个音符。面对这一困境，张鑫决定“换道超车”——尝试通过“时间”这个被忽视的维度，为荧光成像开辟全新的“通道”。

张鑫实验室里的荧光蛋白样品

要理解这个突破，我们需要先了解一个关键概念：荧光寿命。

与我们日常见到的光不同，荧光需要先被一束激发光照射才能发出。这束光提供能量，让荧光分子中的电子“跃迁”到能量更高的激发态。但电子不喜欢待在高能量状态，总会想方设法回到稳定的基态。

在这个过程中，电子可以通过两种方式回到基态：一是通过发射光子的形式辐射能量，既发出荧光，这叫辐射跃迁；二是通过与其他分子碰撞等方式转移能量，这叫非辐射跃迁。而荧光寿命，就是指电子在激发态“停留”的平均时间。这个时间通常在纳秒级别（1纳秒等于十亿分之一秒），是每种荧光分子独有的“身份特征”。

本文一作和张鑫。右起：谈自主、张鑫、冯嘉辉、熊家亨

Part 02

给时光以生命

张鑫团队早在2018年就合成并深入研究了荧光蛋白发色团（由三个特定氨基酸组成）的发光机制。回国后，他们集中攻关荧光寿命这一特性。先后发展了一系列具有不同荧光寿命的小分子，并开发了荧光寿命受微环境调控的荧光探针。

基于以往研究的积累，团队开始调控荧光蛋白的荧光寿命。主要方法是对发色团周围的氨基酸进行“饱和突变”——将其随机替换为其他19种氨基酸。这项工作与西湖大学叶宇轩实验室合作完成。经过数万个突变体的高效筛选，他们最终获得了一批荧光寿命显著差异的荧光蛋白突变体。并且，来自于同一个模板的突变体，其激发条件和发光颜色都没有改变——只是寿命不同。

基于这一突破，张鑫团队将这类新型荧光蛋白命名为“时间分辨荧光蛋白”（tr-FP）。

研究思路示意图

但这只是开始，张鑫团队继续深入探索背后的机制。

如前所述，荧光寿命包含辐射跃迁和非辐射跃迁两部分。为了弄清突变体荧光寿命变化的根源，团队首先做了一道“数学题”：他们精确计算了不同突变体的辐射和非辐射跃迁速率。结果发现，寿命更短的突变体，往往具有更快的非辐射跃迁速率。也就是说，它们通过“不发光”的方式更快地释放了能量。这表明，突变主要是通过影响非辐射跃迁来调控荧光寿命的。

那为什么突变会影响非辐射跃迁？为了从分子机制上破解这个谜题，张鑫团队联合西湖大学卢培龙实验室、上海工程技术大学高雅实验室和华东师范大学朱通实验室，通过计算机模拟，再现了这些荧光蛋白在基态和激发态下的精细三维结构！

不仅如此，他们还与华盛顿大学李晓松教授以及中科院大连化物所刘宇研究员合作，对模拟结果进行深入分析。

最终，他们捕捉到了关键机制：这些突变并不影响荧光蛋白在基态下的结构，而是巧妙地调控了发色团在激发态的“扭曲姿势”。这种构象变化直接影响能量是否通过发光释放——换句话说，突变改变了发色团“暗中释放能量”的容易程度，从而实现对荧光寿命的精准调控。这一结论也得到了西湖大学杨汶醒实验室瞬态吸收光谱实验数据的强力支持。

基于以上发现，张鑫团队做了一件极具前瞻性的工作：他们系统改造了覆盖蓝、青、绿、黄、橙、红以及远红，整个可见光谱的七种荧光蛋白，成功构建出包含28个不同荧光寿命突变体的“彩虹”工具库。

改造的荧光蛋白的范围，包括了他们的激发光波段（左）、发射光波段（右），以及不同的寿命分布（黑色小三角形表示）

Part 03

“实战演练”

如果说之前的工作是“原理突破”和“工具打造”，那么接下来，张鑫团队开展的，则是一场场真正意义上的细胞内“实战演练”。

过去，仅靠荧光颜色进行区分，科学家最多只能在细胞内同时观察6种不同的结构。而如今，结合荧光光谱+荧光寿命两个维度，张鑫团队成功将这一数字推向了9种。包括细胞核、线粒体、内质网、溶酶体等关键细胞器悉数登场。就像一场细胞内的交响乐——现在，你不仅能听见整体合奏，更能清晰分辨出每一种乐器的声音。

左边是九种荧光信号通道，右边是最终合成的细胞影像

但“看得多”不是终点，“看得懂”才是关键。

团队与西湖大学邹贻龙实验室合作，聚焦于两种由活性氧介导的细胞死亡形式：程序性死亡（铁死亡）和细胞坏死（氧化应激死亡）。结果发现，作为细胞内活性氧的“主要生产地”，线粒体在这两种死亡过程中，都会从线状结构碎裂成颗粒状。但除它之外，其他细胞器——尤其是细胞核和微丝——却表现出截然不同的响应。这背后，很可能源于铁死亡与氧化应激在机制上的根本差异。

细胞的铁死亡（上列）和氧化应激下死亡（下列）对比

为了进一步验证这套系统的多重成像能力，张鑫团队改进了传统的细胞周期指示剂（Fucci）。原来的Fucci系统依靠不同颜色的荧光蛋白来指示不同细胞周期，就像用不同颜色的灯标识不同阶段。而张鑫团队的做法是：使用颜色相同但寿命不同的荧光蛋白——这样一来，仅占用一个颜色通道，就能全程追踪细胞周期！这项改进意义重大：它腾出了宝贵的光谱通道，使研究人员能同时兼容其他报告系统，从而实现对细胞生命活动更全面的观测。

不同细胞周期下表达出不同荧光寿命的蛋白

这还没完。

团队还将荧光寿命成像推进至超分辨率层面——与受激辐射损耗显微镜（STED）结合。他们以光稳定优异的oxStayGold蛋白为模板，成功获得了不同寿命的突变体，并将其与HaloTag-SiR染料系统联用，在活细胞内实现了对4种靶标的超高分辨寿命成像！

团队还开发出一种新方法：通过荧光寿命值直接反推细胞内两种蛋白质的化学计量比。这意味着，荧光寿命不仅能“看得到”，还能“算得清”，为活细胞定量研究提供了新工具。

基于荧光寿命的超高分辨STED成像

2023年12月，张鑫团队将研究成果投稿至《细胞》杂志。2024年农历正月初三，编辑部返回了审稿意见。经过一年多的修改与补充，论文于2025年8月正式被接受。就像荧光蛋白从发现到广泛应用的故事一样，对荧光寿命的改造又何尝不是一场跨越数年的科研接力？多个实验室、多种学科背景的研究者共同参与了这场“看不见”的奔跑。

他们通过系统性创新，将荧光寿命成功发展为继颜色之后的又一个通用维度的成像手段。不仅打造了一套覆盖全光谱的荧光寿命“彩虹工具库”，更在多种生物学场景中实现了从多重成像到定量研究的跨越，大大拓展了我们在活细胞内进行实时、动态、多靶标观测的能力，为理解生命复杂体系提供了强大的技术平台。

可以说，我们正在真正走进一个“细胞内部可视化”的全新时代。

致谢

本研究由西湖大学理学院助理研究员谈自主、熊家亨与博士生冯嘉辉担任第一作者，西湖大学理学院化学系张鑫教授为通讯作者。研究工作得到了多位合作者的大力支持，包括西湖大学理学院杨汶醒教授、叶宇轩教授与博士生臧建阳，生命科学学院万奕含教授、卢培龙教授、邹贻龙教授与博士生张杨晔、陈俊霖、孙科、路阳、潘子健，上海工程技术大学高雅教授，华东师范大学朱通教授与博士生尹佳彬，中国科学院大连化物所刘宇研究员，以及华盛顿大学李晓松教授与博士生廖灿。项目获得了西湖大学未来产业研究中心、西湖实验室和国家自然科学基金的资助。项目实施过程中得到了西湖大学分子科学公共实验平台和生物医学技术平台的大力支持。

张鑫实验室

张鑫实验室聚焦于生物有机化学和蛋白质生物化学的交叉领域，以“生物聚集体化学”为研究方向，从分子层面揭示生物聚集体的形成、性质、功能，长期开展合成化学、细胞生物学、化学生物学等交叉学科的基础与应用研究。目前研究方向如下：开发新型荧光分子探针，实现超高分辨定量成像新技术；发展新型时间分辨荧光蛋白标记，揭示活细胞内蛋白与细胞器间的复杂互作网络；生物分子相分离的定量成像，揭示无膜细胞器的结构与功能关系；RNA无膜细胞器的化学生物学，揭示RNA相分离和生理功能之间的关系；发展无膜细胞器的化学调控手段，开发新型小分子药物减缓或者阻止导致神经退行性疾病的蛋白质聚集。

实验室网站

xinzhang.lab.westlake.edu.cn