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.

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.

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.