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科学家设计细菌来反映超声波成像的“声纳”信号

来源:California Institute of Technology 2018-01-10 10:25 1230人浏览

【盖德化工网 每日热点】在1966年的科幻电影《Fantastic Voyage》中,一艘潜水艇被压缩并注入一个科学家的身体来修复他大脑中的血块。尽管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在朝着这个方向大步迈进:他们首次创造出了能够反射声波的细菌细胞,这让人想起了潜水艇是如何反射声纳来显示它们的位置。

Credit: Anupama Lakshmanan/Caltech

最终目标是能够治疗细菌注入病人的身体——例如,作为益生菌来治疗肠道疾病或者作为靶向肿瘤治疗,然后超声波仪器用声波打击设计的细菌工程菌,从而生成显示微生物位置的图像。这些照片可以让医生知道,治疗是否能在身体的正确位置进行, 是否能够工作正常。

“我们正在对细菌细胞进行设计,这样它们就能将声波反射回来,让我们知道它们的位置,就像一艘船或潜艇在寻找声纳那样,”Mikhail Shapiro教授表示,“我们想问问细菌,‘你们在哪里?你们在做什么?’第一步是学习可视化和定位细胞,下一步就是与它们进行交流。”

研究结果将发表在1月4日的《自然》杂志上。首席作者是Raymond Bourdeau,他曾经是Shapiro实验室的博士后学者。

使用细菌作为药物的想法并不新鲜。益生菌已经被开发用于治疗肠道疾病,如肠易激综合症,一些早期的研究表明,细菌可以用于靶向和破坏癌细胞。但是,将这些细菌细胞可视化,并与它们进行交流——既可以收集有关身体状况的信息,又能告诉细菌下一步该做什么——这是不可能的。依赖于光的成像技术——比如例如拍摄带有绿色荧光蛋白编码“报告基因”标记的细胞的照片——只在从身体中取出的组织样本中工作。这是因为光不能穿透像肠道这样的深层组织,细菌细胞就存在于这些组织中。

Shapiro想用超声波技术来解决这个问题,因为声波可以深入人体。他说,大约六年前,当他了解到水生细胞中富含气体的蛋白质结构有助于调节生物体的浮力时,他就有了一个灵感。Shapiro推测,这些被称为“气泡”的结构能够反射声波,从而使它们与其他类型的细胞区别开来。事实上,Shapiro和他的同事们证明了在老鼠的内脏和其他组织中,可以用超声波来成像。

研究小组的下一个目标是将从水里的细菌中提取的气体的基因转化成另一种细菌——大肠杆菌,这种细菌常用于微生物疗法,如益生菌。

Shapiro说:“我们想要教会大肠杆菌,让它们自己制造气体。”“自从我们意识到气体水泡的潜在作用之后,我就一直想这么做,但但一路上我们遇到了一些障碍。当我们终于让系统运转起来的时候,我们欣喜若狂。

研究小组遇到的挑战之一是将囊泡的遗传机制转移到大肠杆菌中。他们首先尝试转移从水栖细菌Anabaena flos-aquae中分离出的气体囊泡基因,但没有成功——大肠杆菌未能制造这些囊泡。他们再次尝试使用来自于大肠杆菌近亲的气泡基因,一种被称为细菌芽孢杆菌(Bacillus megaterium)的细菌。这也没有成功,因为所产生的气泡太小,无法有效地散射声波。最后,研究小组尝试了两种的混合基因,结果成功了。大肠杆菌自己制造了气泡。

基因编码气体囊泡中的蛋白质,这些蛋白质在构建最终的囊泡结构时表现得像砖块或起重机一样——其中一些蛋白质是小泡的构建块,而一些蛋白质则在结构的实际组装中起到了帮助作用。Bourdeau说:“从本质上讲,我们发现我们需要从Anabaena flos-aquae的砖块以及大肠杆菌中的起重机,来让大肠杆菌制造出气体小泡。”

研究小组随后进行的实验表明,利用超声波可以对工程化的大肠杆菌进行成像,并将其定位在小鼠的内脏中。

Shapiro说:“这是第一个用于超声波成像的声学报告基因。”“我们希望它最终能像绿色荧光蛋白那样,为基于光的成像技术带来革命性的改变,以以前所不可能的方式改变细胞成像。”

研究人员说,这项技术将很快提供给从事动物研究的科学家,尽管开发出用于人类的方法还需要许多年的时间。

这项名为“Acoustic reporter genes for noninvasive imaging of microbes in mammalian hosts”的研究由 the National Institutes of Health, the Canadian Institute of Health Research, the Burroughs Wellcome Fund, the Packard Fellowship, the Pew Scholarship, the Heritage Medical Research Institute, the National Science Foundation, and the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada所资助。其他作者包括研究技术员Audrey Lee Gosselin, graduate students Anupama Lakshmanan, Arash Farhadi, Sripriya Ravindra Kumar和前本科生Suchita Nety(BS'17)。

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