對于任何細胞而言，膜電位都是非常重要的生物學指標，盡管細胞膜電位易于測定，但是細胞器膜電位卻不易測得。在以往的測定方法中，基于蛋白質的電壓指示器固然強大，卻無法在酸性條件下發揮作用；電壓敏感性染料有著低電容性負載和PH不敏感的優點，但是無法被定位在細胞器上。
成果簡介：
鑒于此，芝加哥大學Yamuna Krishnan教授開發出一種測定細胞器膜電位的新型熒光DNA納米器件——Voltair，它結合了上文二者的優點，不需要侵入細胞器即可測得絕對膜電位，并且可以靶向活細胞中的細胞器。成果發表于Nature Nanotechnology上。
Voltair的構造：
Voltair包括一個電壓敏感熒光團和一個作為內吞示蹤劑、用于比率測定的參考熒光團。Voltair由38個堿基對的雙鏈DNA構成，包括三個模塊——Dv、Da、Dt。
1）首先，Dv是由38個核苷酸組成的單鏈DNA，其3’端被修飾了電壓敏感性染料（RVF，綠色）,RVF具有很高的光穩定性，并且對PH不敏感，故而可以用于測定不同PH的細胞器膜電位。
2）其次，Da是參考探針（Atto647N，紅色）附著于Da的5’末端，用于校正由于探針分布不均勻而引起的傳感器分布差異所導致的強度差異。
3）最后，Dt是“靶向”組件，用于靶向特定的細胞器，其5’末端的POPE通過四乙二醇錨定在細胞器膜上。
Voltair的構造及其膜電位的偽彩圖像
Voltair靶向特定的內吞細胞器的膜：
Voltair（紅色通道）利用雙鏈DNA成為清道夫受體的配體，從而標記細胞內的細胞器。DNA雙鏈結合細胞膜上受體（綠色通道），并通過清道夫受體介導的內吞作用從質膜到早期內質體、晚期內質體和溶酶體。
Voltair靶向特定的內吞細胞器的膜
Voltair測定溶酶體膜電位：
利用清道夫受體介導的內吞作用，將Voltair靶向溶酶體。由于HEK 293T細胞不表達清道夫受體，通過瞬時轉染的方法在HEK 293T細胞中過度表達了與CFP融合的人巨噬細胞清道夫受體（hMSR1）。發現了有效的Voltair攝取。hMSR1-CFP和VoltairIM之間的共定位以及競爭實驗表明，VoltairI的攝取是由清道夫受體介導的。
此外，研究者還探究了Voltair是否可以檢測到藥理因素對溶酶體膜電位的影響。用巴弗洛霉素A1阻斷V型質子泵，可以觀察到膜電位的急劇下降，與靜息電位相比下降了大約100mV。在之后的實驗中，團隊還探究了維持溶酶體膜電位的離子通道。對于早期和中期內體，通過Voltair測得其膜電位分別為+153mv和+114mV；其內Ca2+和Cl-濃度相近，但是中期內體的H+濃度則顯著高于早期內體。這說明維持內體（溶酶體）膜電位的離子除卻H+外， Na+和K+對溶酶體較高膜電位的維持發揮重要作用。
Voltair測定溶酶體膜電位及膜電位影響因素
溶酶體膜電位變化的延時成像：
為了測試Voltair是否可以提供時間信息，對溶酶體的膜電位變化進行了延時成像。細胞質Ca2 +的含量受到各種細胞器的嚴格調節，例如內質網，線粒體和質膜。還假設溶酶體可以緩沖細胞溶質中的Ca2 +，Ca2 +升高時，預計會干擾溶酶體的電化學穩態。因此，使用ATP升高了胞質Ca2 +，并測量了COS-7細胞中胞質Ca2 +的溶酶體的膜電位水平。細胞外ATP通過與質膜上的P2嘌呤能受體相互作用來提高胞質Ca2+。通過對全細胞強度圖像中的Fluo-4和Voltair標記的細胞進行連續成像，監測了隨時間變化的胞質Ca2+和溶酶體的膜電位水平。發現溶酶體的膜電位水平恢復與胞質Ca2+恢復同時發生。胞質Ca2+激增與突變的溶酶體超極化之間的相關性表明，溶酶體轉運蛋白的激活與細胞的其他Ca2+緩沖細胞器一起，有助于恢復胞質Ca2+。
展望：
雖然Voltair在細胞器膜電位測定方面去的了突破性進展，但仍有不足。它只可以測定通過內吞作用形成的細胞器，如果想要測定更小的囊泡的膜電位或者是通過分泌途徑產生的囊泡的膜電位，則需要更加精密的圖像及器件。其次，如果該DNA納米分析器件可以用于測定可興奮性組織的膜電位，將會大大增加其適用范圍。
參考文獻：
Anand Saminathan, et al. A DNA-based voltmeter for organelles. Nat. Nanotechnol. (2020).
https://doi.org/10.1038/ s41565-020-00784-1
