转基因技术让细菌“唱歌”:新型微生物定位技术诞生

近日,加州理工学院的科研人员利用转基因技术使大肠杆菌长出气体囊泡,从而实现了利用超声成像技术对其进行定位,其效果优于现有的生物荧光成像。这一成果已经发表于2018年1月3日的《自然》杂志。

转基因技术让细菌“唱歌”:新型微生物定位技术诞生

科学家利用转基因技术使大肠杆菌长出气体囊泡,从而实现超声成像

在哺乳动物体内的微生物对其健康状况有着重要影响。近年来,利用基因工程直接进行微生物诊疗的技术发展迅速,因而微生物在哺乳动物体内的密度分布定位就显得非常重要。

现有的基于光学基因信使的成像技术(如生物荧光成像等),由于需要探测光学信号,故探测时生物组织稍厚就会影响光的传播,因而其穿透深度非常有限,仅能表征微生物在人或动物组织内的大致分布。

为此,加州理工学院的米克黑尔·夏皮罗(Mikhail Shapiro)教授与同事研究了利用超声成像定位微生物的技术。

超声成像需要使用超声造影剂来进行显像,通常这种造影剂为微米量级的包膜微气泡,一些水中的光合作用微生物(比如一些藻类)天然具备这一结构。这些囊泡为数百纳米尺度的蛋白质气泡,微生物可以利用囊泡中的气体调节自身的浮力。在2014年,有科学家已经利用这些气体囊泡成功的进行了超声成像。

转基因技术让细菌“唱歌”:新型微生物定位技术诞生

一种单细胞藻类,内部包含气体囊泡

但是,多数微生物体内并不具备这种微型囊泡用以响应超声成像。为此,研究人员利用转基因技术,将一种优化过的气体囊泡基因植入了大肠杆菌体内,使这一形状得以表达,让其长出了囊泡结构。有了这种囊泡结构后,研究人员对大肠杆菌的空间分布得到了清晰的超声成像,因此,他们称这种气体囊泡基因为超声信使基因(ARG1)。研究者还发现,只要大肠杆菌体内有0.005%的体积形成了气体囊泡,就可以响应超声成像,因而这一技术灵敏度极高,可以应用于各种活体检测之中。文章中也给出了利用这一技术测得的小鼠结肠内的菌群分布图像。

转基因技术让细菌“唱歌”:新型微生物定位技术诞生

利用新技术得到的小鼠体内大肠杆菌分布超声成像图(左)与荧光显像表征的检测区域(右)

《自然》杂志对此发表了同期新闻评论,对其进行了高度评价。评论认为文章作者利用基因工程对微生物进行结构改造,首次得到了高空间分辨率的微生物超声影像。这一技术在诊疗应用中颇具潜力,未来还可能与其他声光成像技术结合使用。而且这项技术还可能拓展至其他领域,如应用到土壤健康监测中。

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