Abstract Genetically encoded calcium ion (Ca 2+ ) indicators (GECIs) are widely-used molecular tools for functional imaging of Ca 2+ dynamics and neuronal activities on a single cell level. Here we report the design and development of two new far-red fluorescent GECIs, FR-GECO1a and FR-GECO1c, based on the monomeric far-red fluorescent protein mKelly. We characterized these far-red GECIs as purified proteins and assessed their performance when expressed in cultured neurons. FR-GECOs have excitation and emission maxima at ~ 596 nm and ~ 644 nm, respectively, display large responses to Ca 2+ (Δ F / F 0 = 6 for FR-GECO1a, 18 for FR-GECO1c), and are bright under both one-photon and two-photon illumination. FR-GECOs also have high affinities (apparent K d = 29 nM for FR-GECO1a, 83 nM for FR-GECO1c) for Ca 2+ , and they enable sensitive and fast detection of single action potentials in neurons.

Abstract Potassium ions (K + ) play a critical role as an essential electrolyte in all biological systems. Here we report the crystal structure-guided optimization and directed evolution of an improved genetically encoded fluorescent K + biosensor, GINKO2. GINKO2 is highly sensitive and specific for K + and enables in vivo detection of K + dynamics in multiple species.

Abstract Genetically-encoded biosensors based on a single fluorescent protein are widely used to visualize analyte levels or enzymatic activities in cells, though usually to monitor relative changes rather than absolute values. We report photochromism-enabled absolute quantification (PEAQ) biosensing, a method that leverages the photochromic properties of biosensors to provide an absolute measure of the analyte concentration or activity. We develop proof-of-concept photochromic variants of the popular GCaMP family of Ca 2+ biosensors, and show that these can be used to resolve dynamic changes in the absolute Ca 2+ concentration in live cells. We also show how our method can be expanded to fast imaging with reduced illumination intensities or to situations where the absolute illumination intensities are unknown. In principle, PEAQ biosensing can be applied to other biosensors with photochromic properties, thereby expanding the possibilities for fully quantitative measurements in complex and dynamic systems.

Abstract Genetically encoded biosensors based on Förster resonance energy transfer (FRET) are indispensable tools for monitoring biochemical changes in cells. Green and red fluorescent protein-based FRET pairs offer advantages over the classically employed cyan and yellow fluorescent protein pairs, such as better spectral separation, lower phototoxicity, and less autofluorescence. Here, we describe the development of an mScarlet-derived green fluorescent protein (designated as mWatermelon) and its use as a FRET donor to the red fluorescent protein mScarlet-I as a FRET acceptor. We tested the functionality of this FRET pair by engineering biosensors for the detection of protease activity, Ca 2+ , and K + . Furthermore, we described a strategy to enhance the FRET efficiency of these biosensors by modulating the intramolecular association between mWatermelon and mScarlet-I.

Genetically encoded Ca2+ indicators (GECIs) are widely used to illuminate dynamic Ca2+ signaling activity in living cells and tissues. Various fluorescence colors of GECIs are available, including red. Red GECIs are promising because longer wavelengths of light scatter less in tissue, making it possible to image deeper. They are engineered from a circularly permuted red fluorescent protein fused to a Ca2+ sensing domain, calmodulin and a calmodulin-binding peptide. A conformational change in the sensing domain upon binding Ca2+ causes a change in the fluorescence intensity of the fluorescent protein. Three factors could contribute to this change in fluorescence: 1) a shift in the protonation state of the chromophore, 2) a change in fluorescence quantum yield, and 3) a change in the extinction coefficient for one-photon excitation or the two-photon cross section for two-photon excitation. We conducted a systematic study of the photophysical properties of a select cohort of red GECIs in their Ca2+-free and Ca2+-saturated states to determine which factors are most important for the Ca2+-dependent change in fluorescence. In total, we analyzed nine red GECIs, including jRGECO1a, K-GECO1, jRCaMP1a, R-GECO1, R-GECO1.2, CAR-GECO1, O-GECO1, REX-GECO1, and a new variant termed jREX-GECO1. We found that these red GECIs could be separated into three classes that each rely on a particular set of factors. Furthermore, in some cases the magnitude of the change in fluorescence was different depending on one-photon excitation or two-photon excitation by up to a factor of two.

Motivated by the growing recognition of citrate as a central metabolite in a variety of biological processes associated with healthy and diseased cellular states, we have developed a series of high-performance genetically encoded citrate biosensors suitable for imaging of citrate concentrations in mammalian cells. The design of these biosensors was guided by structural studies of the citrate-responsive sensor histidine kinase, and took advantage of the same conformational changes proposed to propagate from the binding domain to the catalytic domain. Following extensive engineering based on a combination of structure guided mutagenesis and directed evolution, we produced an inverse-response biosensor (ΔF/Fmin ~ 18) designated Citroff1 and a direct-response biosensor (ΔF/Fmin ~ 9) designated Citron1. We report the x-ray crystal structure of Citron1 and demonstrate the utility of both biosensors for qualitative and quantitative imaging of steady-state and pharmacologically-perturbed citrate concentrations in live cells.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Potassium ion (K+) homeostasis and dynamics play critical roles in regulating various biological activities, and the ability to monitor K+ spatial-temporal dynamics is critical to understanding these biological functions. Here we report the design and characterization of a Förster resonance energy transfer (FRET)-based genetically encoded K+ indicator, KIRIN1, constructed by inserting a bacterial cytosolic K+ binding protein (Kbp) between a fluorescent protein (FP) FRET pair, mCerulean3 and cp173Venus. Binding of K+ induces a conformational change in Kbp, resulting in an increase in FRET efficiency. KIRIN1 was able to detect K+ at physiologically relevant concentrations in vitro and is highly selective toward K+ over Na+. We further demonstrated that KIRIN1 allowed real-time imaging of pharmacologically induced depletion of cytosolic K+ in live cells, and KIRIN1 also enabled optical tracing of K+ efflux and reuptake in neurons upon glutamate stimulation in cultured primary neurons. These results demonstrate that KIRIN1 is a valuable tool to detect K+ in vitro and in live cells.

ABSTRACT Genetically encoded sensors enable quantitative imaging of analytes in live cells. State-of-the-art sensors are commonly constructed by combining ligand-binding domains with one or more sensitized fluorescent protein (FP) domains. Sensors based on a single FP are susceptible to artifacts caused by differing expression levels or sensor distribution in vivo . Hence, our lab developed dual-FP Matryoshka technology introduced by a single cassette that contains a stable large Stokes shift (LSS) reference FP nested within a reporter FP (cpEGFP), allowing simple construction of intensiometric sensors with the capacity for ratiometric quantification. The first-generation Green-Orange (GO) Matryoshka cassette established proof of concept but required custom optical setups to maximize achievable dynamic range. Here, we present a genetically encoded calcium sensor that employs optimized second-generation Green-Apple (GA) Matryoshka technology that incorporates a newly designed red LSSmApple fluorophore. LSSmApple provides improved excitation spectrum overlap with cpEGFP, allowing for monochromatic co-excitation with blue light. The exceptionally large Stokes shift of LSSmApple results in improved emission spectrum separation from cpEGFP, which minimizes fluorophore bleed-through and facilitates imaging using standard dichroics and red fluorescent protein (RFP) emission filters. We developed an image analysis pipeline for yeast ( Saccharomyces cerevisiae ) timelapse imaging that utilizes LSSmApple to segment and track cells for high-throughput quantitative analysis. In summary, we engineered a new fluorescent protein, constructed a genetically encoded calcium indicator (GA-MatryoshCaMP6s), and performed calcium imaging in yeast as a demonstration.

Significance: Genetically encoded calcium ion (Ca2+) indicators (GECIs) are powerful tools for monitoring intracellular Ca2+ concentration changes in living cells and model organisms. In particular, GECIs have found particular utility for monitoring the transient increase of Ca2+ concentration that is associated with the neuronal action potential. However, the palette of highly optimized GECIs for imaging of neuronal activity remains relatively limited. Expanding the selection of available GECIs to include new colors and distinct photophysical properties could create new opportunities for in vitro and in vivo fluorescence imaging of neuronal activity. In particular, blue-shifted variants of GECIs are expected to have enhanced two-photon brightness, which would facilitate multiphoton microscopy. Aim: We describe the development and applications of T-GECO1 - a high-performance blue-shifted GECI based on the Clavularia sp.-derived mTFP1. Approach: We used protein engineering and extensive directed evolution to develop T-GECO1. We characterize the purified protein and assess its performance in vitro using one-photon excitation in cultured rat hippocampal neurons, in vivo using one-photon excitation fiber photometry in mice, and ex vivo using two-photon Ca2+ imaging in hippocampal slices. Results: The Ca2+-bound state of T-GECO1 has an excitation peak maximum of 468 nm, an emission peak maximum of 500 nm, an extinction coefficient of 49,300 M-1cm-1, a quantum yield of 0.83, and two-photon brightness approximately double that of EGFP. The Ca2+-dependent fluorescence increase is 15-fold and the apparent Kd for Ca2+ is 82 nM. With two-photon excitation conditions at 850 nm, T-GECO1 consistently enabled detection of action potentials with higher signal-to-noise (SNR) than a late generation GCaMP variant. Conclusion: T-GECO1 is a high performance blue-shifted GECI that, under two-photon excitation conditions, provides advantages relative to late generation GCaMP variants.

Genetically-encoded calcium ion (Ca2+) indicators (GECIs) are indispensable tools for measuring Ca2+ dynamics and neuronal activities in vitro and in vivo. Red fluorescent protein (RFP)-based GECIs enable multicolor visualization with blue or cyan-excitable fluorophores and combined use with blue or cyan-excitable optogenetic actuators. Here we report the development, structure, and validation of a new red fluorescent Ca2+ indicator, K-GECO1, based on a circularly permutated RFP derived from the sea anemone Entacmaea quadricolor. We characterized the performance of K-GECO1 in cultured HeLa cells, dissociated neurons, stem cell derived cardiomyocytes, organotypic brain slices, zebrafish spinal cord in vivo, and mouse brain in vivo.