ตัวบ่งชี้แรงดันไฟฟ้าที่เข้ารหัสทางพันธุกรรม (หรือGEVI ) เป็นโปรตีนที่สามารถรับรู้ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์และเชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้ากับรูปแบบของเอาต์พุต ซึ่งมักจะเป็นระดับการเรืองแสง^{[ 1 ]}เป็น เครื่องมือบันทึก ออปโตเจเนติกส์ที่มีศักยภาพซึ่งช่วยให้สามารถบันทึก สัญญาณ ทางสรีรวิทยาไฟฟ้าจากเซลล์เพาะเลี้ยงและสัตว์มีชีวิตได้ ตัวอย่างของตระกูล GEVI ได้แก่ Quasar/Archon ^{[ 2 ] [ 3 ]} Ace-mNeon ^{[ 4 ]}และ ASAP ^{[ 5 ] [ 6 ]}

แม้ว่าแนวคิดเรื่องการวัดกิจกรรมของเซลล์ประสาทด้วยแสงจะถูกเสนอขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1960 ^{[ 7 ]}แต่ GEVI ตัวแรกที่ประสบความสำเร็จและสะดวกพอที่จะนำไปใช้งานจริงนั้นยังไม่ได้รับการพัฒนาจนกระทั่งเทคโนโลยีวิศวกรรมพันธุกรรมมีความสมบูรณ์ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 GEVI ตัวแรกที่เรียกว่า FlaSh ^{[ 8 ]}ถูกสร้างขึ้นโดยการหลอมรวมโปรตีนเรืองแสงสีเขียว ที่ดัดแปลง เข้ากับช่อง K ⁺ ที่ไวต่อแรงดันไฟฟ้า ( Shaker ) แตกต่างจากโปรตีนเรืองแสง การค้นพบ GEVI ใหม่ๆ มักไม่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ เนื่องจากเป็นการยากที่จะหาสิ่งมีชีวิตที่มีความสามารถในการเปลี่ยนการเรืองแสงตามแรงดันไฟฟ้าได้ตามธรรมชาติ ดังนั้น GEVI ใหม่ๆ ส่วนใหญ่จึงเป็นผลผลิตจากวิศวกรรมพันธุกรรมและ โปรตีน

สามารถใช้สองวิธีในการค้นหา GEVI ใหม่ ได้แก่การออกแบบอย่างมีเหตุผลและการวิวัฒนาการแบบกำหนดทิศทางวิธีแรกมีส่วนช่วยในการสร้าง GEVI รูปแบบใหม่ส่วนใหญ่ แต่การวิจัยล่าสุดที่ใช้การวิวัฒนาการแบบกำหนดทิศทางได้แสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่น่าสนใจในการเพิ่มประสิทธิภาพ GEVI ^{[ 9 ] [ 10 ]}

ตามหลักการแล้ว GEVI ควรตรวจจับความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มเซลล์และรายงานโดยการเปลี่ยนแปลงของฟลูออเรสเซนซ์ โครงสร้างที่แตกต่างกันหลายแบบสามารถใช้สำหรับฟังก์ชันการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าได้^{[ 11 ]}แต่คุณสมบัติที่สำคัญอย่างหนึ่งคือต้องฝังอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ โดยปกติแล้ว โดเมนตรวจจับแรงดันไฟฟ้า (VSD) ของ GEVI จะทอดข้ามเยื่อหุ้มเซลล์และเชื่อมต่อกับโปรตีนเรืองแสง (FP) อย่างไรก็ตาม ไม่จำเป็นว่าการตรวจจับและการรายงานจะต้องเกิดขึ้นในโครงสร้างที่แตกต่างกัน - ดูตัวอย่างเช่น Archons

โดยโครงสร้าง GEVI สามารถจำแนกได้เป็นสี่ประเภทตามการค้นพบในปัจจุบัน: (1) GEVI ที่มีโปรตีนเรืองแสงคู่ FRET เช่น VSFP1 (2) GEVI ออปซินเดี่ยว เช่น Arch (3) GEVI คู่ FRET ของออปซิน-FP เช่น MacQ-mCitrine (4) FP เดี่ยวที่มีโดเมนตรวจจับแรงดันไฟฟ้าชนิดพิเศษ เช่น ASAP1 GEVI ส่วนใหญ่มีพื้นฐานมาจากฟอสฟาเตสที่ไวต่อแรงดันไฟฟ้าของ Ciona intestinalis (Ci-VSP หรือ Ci-VSD (โดเมน)) ซึ่งถูกค้นพบในปี 2548 จาก การสำรวจ จีโนมของสิ่งมีชีวิต^{[ 12 ]} GEVI บางตัวอาจมีส่วนประกอบที่คล้ายกัน แต่ในตำแหน่งที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ทั้ง ASAP1 และ ArcLight ต่างก็ใช้ VSD และ FP หนึ่งตัว แต่ FP ของ ASAP1 อยู่ด้านนอกของเซลล์ ในขณะที่ FP ของ ArcLight อยู่ด้านใน และ FP สองตัวของ VSFP-Butterfly ถูกคั่นด้วย VSD ในขณะที่ FP สองตัวของ Mermaid อยู่ใกล้กันมากกว่า

1. ^↑ชื่อที่พิมพ์เป็นตัวเอียง หมายถึง GEVI ที่ยังไม่ได้ตั้งชื่อ

GEVI สามารถประเมินได้จากคุณลักษณะหลายประการ คุณลักษณะเหล่านี้สามารถจำแนกได้เป็นสองประเภท ได้แก่ ประสิทธิภาพและความเข้ากันได้ คุณสมบัติด้านประสิทธิภาพ ได้แก่ ความสว่างความเสถียรต่อแสง ความไว จลนศาสตร์ (ความเร็ว) ความเป็นเส้นตรงของการตอบสนอง เป็นต้น ในขณะที่คุณสมบัติด้านความเข้ากันได้ ครอบคลุมถึงความเป็นพิษ ( ความเป็นพิษต่อแสง ) การกำหนดตำแหน่งเยื่อหุ้มพลาสมา ความสามารถในการปรับตัวของการถ่ายภาพเนื้อเยื่อส่วนลึก เป็นต้น^{[ 45 ]}

GEVI ประเภทต่างๆ กำลังได้รับการพัฒนาในหลายสาขาการวิจัยทางชีววิทยาหรือสรีรวิทยา แตกต่างจากวิธีการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าแบบเดิม เช่น การบันทึกทางสรีรวิทยาไฟฟ้า โดยใช้อิเล็กโทรดหรือสีย้อมที่ไวต่อแรงดันไฟฟ้า GEVI สามารถแสดงออกได้อย่างเสถียรและสามารถกำหนดเป้าหมายไปยังเซลล์ประเภทเฉพาะได้ GEVI มีความละเอียดเชิงพื้นที่ระดับเซลล์ย่อย^{[ 46 ]} และความละเอียดเชิงเวลาต่ำถึง 0.2 มิลลิวินาที ซึ่งเร็วกว่า การถ่ายภาพแคลเซียมอย่างน้อยหนึ่งลำดับความแรงสิ่งนี้ทำให้ความแม่นยำในการตรวจจับสไปค์เทียบได้กับการบันทึกทางสรีรวิทยาไฟฟ้าโดยใช้อิเล็กโทรด แต่ไม่มีการรุกราน^{[ 33 ]}นักวิจัยได้ใช้ GEVI เพื่อตรวจสอบการสื่อสารทางประสาทของสมองที่สมบูรณ์ (ของแมลงหวี่^{[ 47 ]}หรือหนู^{[ 48 ]} ) การเกิดสไปค์ไฟฟ้าของแบคทีเรีย ( E. coli ^{[ 21 ]} ) และเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจที่ ได้จากสเต็มเซลล์ของมนุษย์ ^{[ 49 ] [ 50 ]}

ในทางกลับกัน การบ่งชี้แรงดันไฟฟ้าในรูปแบบใดๆ ก็ตามย่อมมีข้อจำกัดโดยธรรมชาติ^{[ 51 ]} การถ่ายภาพต้องรวดเร็ว มิฉะนั้นจะพลาดการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าในช่วงสั้นๆ ซึ่งหมายความว่าจะมีโฟตอนน้อยลงต่อการเปิดรับแสงภาพ นอกจากนี้ ความสว่างต่อเซลล์ยังต่ำกว่าตัวบ่งชี้แคลเซียมโดยธรรมชาติ เนื่องจากตัวบ่งชี้แรงดันไฟฟ้าสามารถอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ได้น้อยกว่าตัวบ่งชี้แคลเซียมในไซโตพลาสซึมประมาณ 30 เท่า