对神经学家杰森·维维亚来说，卢克·拉维斯不仅仅是一位化学家。他是一个现代魔术师。
在过去的十年里，作为Janelia分子工具和成像研究领域的高级组长和负责人，Lavis一直在与他的实验室合作，将现代化学的魔力应用于古老的分子，将几个世纪前的罗丹明染料转化为Janelia Fluor染料。众所周知，JF染料比其他染料更亮、更稳定，而且有多种颜色可供选择，这使它们成为全世界生物学家观察细胞内分子的不可或缺的工具。
圣犹达儿童研究医院的助理教员Vevea说:“卢克和他的团队正在将这种新魔法应用于这些经过验证的结构，并创造出一整套我们可以使用的光谱调谐，一流的荧光团。”“这使得卢克在细胞生物学界很有名，因为我们非常依赖显微镜。但是卢克开始走得更远。”
在花了数年时间完善用于制造JF染料的化学物质，并弄清楚它们如何进入活细胞背后的规则之后，拉维斯和他的团队现在将注意力转向设计用于特定生物应用的染料，包括活体动物。
拉维斯和他的团队正在与像Vevea这样的生物学家合作，创造出可以作为其他配体连接体的染料，利用它们来观察活体动物的全脑蛋白质周转，并将染料作为时间戳来记录细胞的转录历史。拉维斯说，Janelia的开放化学计划为世界各地的研究人员免费提供了许多商业化前的工具，有助于推动这些新的创新。
“我们花了很长时间来开发制造这些染料的化学物质，所以现在我们可以真正有效地制造染料，我们正在利用这种化学物质制造有用的衍生物，”他说。“因为我们有了开放化学，我们也能够把染料送到研究人员手中，只要有这些试剂就能激发新的想法。”
创建多功能部分荧光团
作为威斯康星大学麦迪逊分校HHMI研究员Edwin Chapman实验室的博士后，Vevea梦想着能够在不同的时间点分离细胞中的蛋白质，以了解细胞和细胞成分是如何衰老的。这些见解可能对理解神经退行性疾病很重要，比如阿尔茨海默氏症和帕金森症。
Vevea想要标记和成像蛋白质，然后从细胞中提取这些相同的蛋白质来表征它们。但以目前的方法和市售试剂，他无法同时进行这两种反应。
科学家们使用基于酶的标签，比如流行的HaloTag，来研究细胞中的特定蛋白质。这些标签可以与感兴趣的蛋白质融合，然后作为一种瑞士军刀，根据什么类型的配体被传递到标签上，来执行不同的动作。
一些配体，如JF染料，可以用来成像蛋白质，而其他配体，原则上，可以用来提取和纯化蛋白质。但同时使用两种配体是不可能的，而且可用的商业试剂可用于提取感兴趣的蛋白质，但在细胞中表现不佳。
Vevea向Lavis提出了一个想法:是否有可能将一种用于纯化蛋白质的配体挂在附着在HaloTag上的表现良好的JF染料上?这将使Vevea除了捕获和分离蛋白质外，还可以对蛋白质进行标记和成像。
在bioRxiv上的预印本中描述的结果是一种多功能荧光团，可用于多种用途。此外，通过将亲和试剂附着在JF染料上，研究小组提高了亲和试剂的细胞相容性，而不是之前单独使用的亲和试剂。
这导致了一种假设，即除了使用该系统进行成像和纯化之外，JF染料还可以作为用于蛋白质操作的其他类型配体的一般连接体。反过来，这可以使科学家们利用以前被认为难以处理的分子来创造新的生物学工具。
“染料几乎就像一辆汽车，所有这些小分子就像乘客，”拉维斯实验室的博士后、这篇新论文的第一作者普拉提克·库马尔(Pratik Kumar)说。“它是承载更多乘客的完美交通工具。”
观察大脑中的突触
在Janelia的Lavis实验室的大厅里，Spruston实验室的研究科学家Boaz Mohar正在使用JF染料来追踪活体动物大脑中蛋白质的周转，以确定大脑中哪些区域参与了不同的活动。
Mohar和他的同事使用脉冲追踪方法来研究突触蛋白的周转。将含有一种单色JF染料(脉冲)的HaloTag配体注射到活老鼠大脑中，用一种颜色标记所有感兴趣的蛋白质。在老鼠完成一项任务或以一种已知的方式诱导大脑发生变化后，它再次被注射含有不同颜色JF染料(追逐)的HaloTag配体。
新合成的蛋白质用追逐色JF染料标记，使研究人员能够观察这些新蛋白质。脉冲蛋白和追逐蛋白的相对数量使研究人员能够计算蛋白质的周转率。该团队在bioRxiv的预印本中描述了这项工作。
与现有用于测量蛋白质周转的技术相比，该小组的方法更适合于检测动物执行任务时涉及的大脑区域。这些信息有助于研究人员在随后涉及单个神经元的实验中将注意力集中在大脑的关键区域。最终，研究小组希望使科学家能够更好地识别参与某些任务或操作的大脑区域，从而有一天更好地了解如何为人类量身定制疾病治疗。
Mohar说，因为有这么多不同的JF染料，研究小组能够找到一种可以穿过血脑屏障并在活体动物的大脑内起作用的染料。
他说:“凭借这些令人惊叹的JF染料，我们能够达到单输入分辨率，现在我们将能够回答以前无法回答的问题，即单细胞水平和单区域水平上的变化。”
生成报时磁带
在2019冠状病毒病大流行期间，哈佛大学化学家亚当·科恩(他是拉维斯实验室的长期合作者)和他的博士后林定昌(音)开始了一项类似的任务，以发现有关全脑神经活动的新信息。他们一起想看看是否可以使用附着在HaloTag上的JF染料来记录标记基因的激活历史。
研究人员利用了一种工程蛋白纤维，它可以在生长过程中加入不同的荧光标记。为了追踪纤维的生长，研究小组在特定的时间点添加了不同颜色的JF染料，并将其附着在HaloTags上。随着纤维的生长，JF染料形成了彩色条纹，这些条纹就像带时间戳的自动收报机磁带，记录了纤维生长的历史。与此同时，附着在纤维上的一种荧光蛋白，在受到感兴趣的启动子(例如与神经元活动有关的启动子)的激活时，也会发光。
通过将JF染料的时间戳与荧光相关联，研究人员可以获得细胞中基因激活的记录。就像生态学家使用树木年轮来了解森林的气候历史一样，生物学家可以使用报时纸带记录来了解细胞的基因表达历史。林说，这种新方法可以用于绘制单细胞水平上许多不同细胞过程的历史，包括记录整个大脑中每个神经元的活动。林现在是约翰霍普金斯大学的助理教授，也是《自然-生物技术》一篇详细介绍自动收报带方法的论文的第一作者。
科恩说，广泛的明亮、稳定的JF染料，以及它们穿过血脑屏障进入细胞的能力，是新方法的核心。这项研究还需要大量的预商用染料，拉维斯和他的团队为科恩的团队合成了染料，作为Janelia对合作和开放科学的承诺的一部分。
两个实验室之间的合作不断发展，科恩的实验室以新的和创造性的方式使用拉维斯的染料。最近，该实验室将这些染料用于研究树突生物物理学和可塑性规律，这些规律在bioRxiv上发表的几篇新预印本中有详细介绍。
科恩说:“获得这些染料对我们来说是一个改变游戏规则的机会，因为这意味着我们可以尝试新的东西，大胆地思考。”“这种合作安排对我们产生了巨大的影响。卢克确实是如何将这些工具传播给社区的典范，这在整体上推动了科学的发展。”
