在1966年的科幻電影Fantastic Voyage中，一艘潛艇縮小并注入科學(xué)家的身體，以修復(fù)他腦中的血凝塊。雖然這部電影可能仍然是虛構(gòu)的，但加州理工學(xué)院的研究人員正朝著這個(gè)方向邁進(jìn)：他們第一次創(chuàng)造出能夠反射聲波的細(xì)菌細(xì)胞，讓人聯(lián)想到潛艇如何反射聲納來揭示它們的位置。

最終的目標(biāo)是要能夠治療細(xì)菌注射到病人體內(nèi)，例如，如益生菌，以幫助腸道的治療疾病或腫瘤靶向治療，然后用超聲波機(jī)與打工程菌的聲波來生成圖像揭示微生物的位置。這些照片可以讓醫(yī)生知道治療方法是否能夠在體內(nèi)正確的位置進(jìn)行，并且工作正常。

“我們正在設(shè)計(jì)細(xì)菌細(xì)胞，這樣它們就可以將聲波反射回我們，讓我們知道它們的位置，就像另一艘船正在尋找它時(shí)船舶或潛艇散射聲納的方式，”Schlinger化學(xué)工程助理教授Mikhail Shapiro說。學(xué)者和遺產(chǎn)醫(yī)學(xué)研究所研究員。“我們希望能夠問細(xì)菌，'你在哪里，你在做什么?'第一步是學(xué)會(huì)可視化和定位細(xì)胞，下一步是與它們溝通。“

研究結(jié)果將發(fā)表在1月4日出版的“自然”雜志上。主要作者是夏皮羅實(shí)驗(yàn)室的前博士后學(xué)者Raymond Bourdeau。

使用細(xì)菌作為藥物的想法并不新鮮。已經(jīng)開發(fā)出益生菌來治療腸道疾病，例如腸易激病，并且一些早期研究已經(jīng)表明細(xì)菌可以用于靶向和破壞癌細(xì)胞。但是，可視化這些細(xì)菌細(xì)胞以及與它們進(jìn)行交流 - 既可以收集關(guān)于體內(nèi)正在發(fā)生的事情的信息，也可以讓細(xì)菌指示下一步該做什么 - 這是不可能的。依賴于光的成像技術(shù) - 例如拍攝標(biāo)記有“報(bào)告基因”的細(xì)胞的圖片，所述“報(bào)告基因”編碼綠色熒光蛋白僅用于從身體移除的組織樣本中。這是因?yàn)楣獠荒軡B入細(xì)菌細(xì)胞所在的腸道等深層組織。

Shapiro希望用超聲技術(shù)解決這個(gè)問題，因?yàn)槁暡梢愿畹剡M(jìn)入身體。他說，大約六年前，當(dāng)他了解到有助于調(diào)節(jié)生物體浮力的水棲細(xì)菌中的充氣蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，他有一個(gè)尤里卡時(shí)刻。夏皮羅假設(shè)這些被稱為氣囊的結(jié)構(gòu)可以反彈聲波，使其與其他類型的細(xì)胞區(qū)別開來。事實(shí)上，夏皮羅和他的同事證明，氣體囊泡可以通過超聲波在小鼠的腸道和其他組織中成像。

該團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是將用于從水棲細(xì)菌制造氣囊的基因轉(zhuǎn)移到不同類型的細(xì)菌 - 大腸桿菌中，其通常用于微生物治療，例如益生菌。

“我們想教大腸桿菌細(xì)菌自己制造氣囊，”夏皮羅說。“自從我們意識(shí)到氣體囊泡的潛力以來，我一直想做到這一點(diǎn)，但我們?cè)诼飞嫌龅搅艘恍┱系K。當(dāng)我們最終讓系統(tǒng)工作時(shí)，我們欣喜若狂。”

該團(tuán)隊(duì)遇到的挑戰(zhàn)之一涉及將氣囊的遺傳機(jī)制轉(zhuǎn)移到大腸桿菌中。他們首先嘗試轉(zhuǎn)移從稱為魚腥藻(Anabaena flos-aquae)的水棲細(xì)菌中分離的氣囊基因，但這不起作用 -大腸桿菌未能制成囊泡。他們?cè)俅螄L試使用來自大腸桿菌(一種叫做巨大芽孢桿菌(Bacillus megaterium))的近親的氣囊基因。這也沒有成功，因?yàn)楫a(chǎn)生的氣泡太小而不能有效地散射聲波。最后，研究小組嘗試了來自兩個(gè)物種的混合基因 - 它起作用了。該大腸桿菌對(duì)自己做出的氣體泡。

氣囊泡基因編碼蛋白質(zhì)，在構(gòu)建最終的囊泡結(jié)構(gòu)時(shí)起到磚或起重機(jī)的作用 - 一些蛋白質(zhì)是囊泡的構(gòu)建塊，而一些有助于實(shí)際組裝結(jié)構(gòu)。“基本上，我們發(fā)現(xiàn)我們需要來自魚腥藻(Anabaena flos-aquae)的磚和巨大芽孢桿菌(Bacillus megaterium)的起重機(jī)，以便大腸桿菌能夠產(chǎn)生氣體囊泡，”Bourdeau說。

該團(tuán)隊(duì)的后續(xù)實(shí)驗(yàn)證明，使用超聲波確實(shí)可以對(duì)工程化的大腸桿菌進(jìn)行成像并定位于小鼠的腸內(nèi)。

“這是第一個(gè)用于超聲成像的聲學(xué)報(bào)告基因，”夏皮羅說。“我們希望它能最終為超聲波提供綠色熒光蛋白在基于光的成像技術(shù)方面所做的工作，這種方法真正徹底改變了以前無法實(shí)現(xiàn)的細(xì)胞成像。”

研究人員說，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該很快就可以用于研究動(dòng)物的科學(xué)家，盡管開發(fā)這種人類使用方法還需要很多年。