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      科學(xué)家設(shè)計細菌來反射超聲成像的“聲納”信號
      
			
      
				2019-05-06 09:58:37
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      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方向邁進：他們第一次創(chuàng)造出能夠反射聲波的細菌細胞，讓人聯(lián)想到潛艇如何反射聲納來揭示它們的位置。
      

      科學(xué)家設(shè)計細菌來反射超聲成像的“聲納”信號
      

      最終的目標(biāo)是要能夠治療細菌注射到病人體內(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)正確的位置進行，并且工作正常。
      

      “我們正在設(shè)計細菌細胞，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。“我們希望能夠問細菌，'你在哪里，你在做什么?'第一步是學(xué)會可視化和定位細胞，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驗室的前博士后學(xué)者Raymond Bourdeau。
      

      使用細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)表明細菌可以用于靶向和破壞癌細胞。但是，可視化這些細菌細胞以及與它們進行交流 - 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“報告基因”的細胞的圖片，所述“報告基因”編碼綠色熒光蛋白僅用于從身體移除的組織樣本中。這是因為光不能滲入細菌細胞所在的腸道等深層組織。
      

      Shapiro希望用超聲技術(shù)解決這個問題，因為聲波可以更深地進入身體。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菌中的充氣蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)時，他有一個尤里卡時刻。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胞區(qū)別開來。事實上，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。
      

      該團隊的下一個目標(biāo)是將用于從水棲細菌制造氣囊的基因轉(zhuǎn)移到不同類型的細菌 - 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菌自己制造氣囊，”夏皮羅說。“自從我們意識到氣體囊泡的潛力以來，我一直想做到這一點，但我們在路上遇到了一些障礙。當(dāng)我們最終讓系統(tǒng)工作時，我們欣喜若狂。”
      

      該團隊遇到的挑戰(zhàn)之一涉及將氣囊的遺傳機制轉(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。他們再次嘗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，因為產(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物種的混合基因 - 它起作用了。該大腸桿菌對自己做出的氣體泡。
      

      氣囊泡基因編碼蛋白質(zhì)，在構(gòu)建最終的囊泡結(jié)構(gòu)時起到磚或起重機的作用 - 一些蛋白質(zhì)是囊泡的構(gòu)建塊，而一些有助于實際組裝結(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，以便大腸桿菌能夠產(chǎn)生氣體囊泡，”Bourdeau說。
      

      該團隊的后續(xù)實驗證明，使用超聲波確實可以對工程化的大腸桿菌進行成像并定位于小鼠的腸內(nèi)。
      

      “這是第一個用于超聲成像的聲學(xué)報告基因，”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現(xiàn)的細胞成像。”
      

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

			
        
      
			
      
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