科学家设计细菌来反射超声成像的“声纳”信号

在1966年的科幻电影Fantastic Voyage中，一艘潜艇缩小并注入科学家的身体，以修复他脑中的血凝块。虽然这部电影可能仍然是虚构的，但加州理工学院的研究人员正朝着这个方向迈进：他们第一次创造出能够反射声波的细菌细胞，让人联想到潜艇如何反射声纳来揭示它们的位置。

最终的目标是要能够治疗细菌注射到病人体内，例如，如益生菌，以帮助肠道的治疗疾病或肿瘤靶向治疗，然后用超声波机与打工程菌的声波来生成图像揭示微生物的位置。这些照片可以让医生知道治疗方法是否能够在体内正确的位置进行，并且工作正常。

“我们正在设计细菌细胞，这样它们就可以将声波反射回我们，让我们知道它们的位置，就像另一艘船正在寻找它时船舶或潜艇散射声纳的方式，”Schlinger化学工程助理教授Mikhail Shapiro说。学者和遗产医学研究所研究员。“我们希望能够问细菌，'你在哪里，你在做什么?'第一步是学会可视化和定位细胞，下一步是与它们沟通。“

研究结果将发表在1月4日出版的“自然”杂志上。主要作者是夏皮罗实验室的前博士后学者Raymond Bourdeau。

使用细菌作为药物的想法并不新鲜。已经开发出益生菌来治疗肠道疾病，例如肠易激病，并且一些早期研究已经表明细菌可以用于靶向和破坏癌细胞。但是，可视化这些细菌细胞以及与它们进行交流 - 既可以收集关于体内正在发生的事情的信息，也可以让细菌指示下一步该做什么 - 这是不可能的。依赖于光的成像技术 - 例如拍摄标记有“报告基因”的细胞的图片，所述“报告基因”编码绿色荧光蛋白仅用于从身体移除的组织样本中。这是因为光不能渗入细菌细胞所在的肠道等深层组织。

Shapiro希望用超声技术解决这个问题，因为声波可以更深地进入身体。他说，大约六年前，当他了解到有助于调节生物体浮力的水栖细菌中的充气蛋白质结构时，他有一个尤里卡时刻。夏皮罗假设这些被称为气囊的结构可以反弹声波，使其与其他类型的细胞区别开来。事实上，夏皮罗和他的同事证明，气体囊泡可以通过超声波在小鼠的肠道和其他组织中成像。

该团队的下一个目标是将用于从水栖细菌制造气囊的基因转移到不同类型的细菌 - 大肠杆菌中，其通常用于微生物治疗，例如益生菌。

“我们想教大肠杆菌细菌自己制造气囊，”夏皮罗说。“自从我们意识到气体囊泡的潜力以来，我一直想做到这一点，但我们在路上遇到了一些障碍。当我们最终让系统工作时，我们欣喜若狂。”

该团队遇到的挑战之一涉及将气囊的遗传机制转移到大肠杆菌中。他们首先尝试转移从称为鱼腥藻(Anabaena flos-aquae)的水栖细菌中分离的气囊基因，但这不起作用 -大肠杆菌未能制成囊泡。他们再次尝试使用来自大肠杆菌(一种叫做巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium))的近亲的气囊基因。这也没有成功，因为产生的气泡太小而不能有效地散射声波。最后，研究小组尝试了来自两个物种的混合基因 - 它起作用了。该大肠杆菌对自己做出的气体泡。

气囊泡基因编码蛋白质，在构建最终的囊泡结构时起到砖或起重机的作用 - 一些蛋白质是囊泡的构建块，而一些有助于实际组装结构。“基本上，我们发现我们需要来自鱼腥藻(Anabaena flos-aquae)的砖和巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)的起重机，以便大肠杆菌能够产生气体囊泡，”Bourdeau说。

该团队的后续实验证明，使用超声波确实可以对工程化的大肠杆菌进行成像并定位于小鼠的肠内。

“这是第一个用于超声成像的声学报告基因，”夏皮罗说。“我们希望它能最终为超声波提供绿色荧光蛋白在基于光的成像技术方面所做的工作，这种方法真正彻底改变了以前无法实现的细胞成像。”

研究人员说，这项技术应该很快就可以用于研究动物的科学家，尽管开发这种人类使用方法还需要很多年。

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