▲单个共生菌（大肠杆菌尼氏1917）的透射电镜照片。该共生菌通过基因工程改造，可表达被称为空气囊泡的纳米结构。共生菌的长度约2μm，细菌中浅色的结构就是空气囊泡。
近日，美国加州理工学院的研究人员首创了能够反射声波的细菌细胞，该成果于1月3日在线发表于《自然》杂志。
研究的最终目标是能将治疗性细胞植入患者体内，然后利用超声仪器产生的声波对治疗性细胞进行成像和定位。成像图片可以帮助医生确认治疗部位是否准确以及疗效优劣。
“我们通过改造细菌细胞，让其能够向我们反馈声波信号，使我们可以确定其位置。这与船（潜水艇）寻找另一艘船（潜水艇）的方式是类似的，”化学工程助理教授、Schlinger学者、传统医学研究所研究员Mikhail Shapiro讲道，“我们还希望能询问细胞‘你在哪里？你干得怎么样？’，我们研究的第一步是实现细胞情况的可视化和定位，第二步则是建立与细胞的通讯。”。
将细菌作为药物的设计思路并非首次出现。早期的一些研究甚至表明，细菌可以用来攻击和摧毁癌细胞。但是，将这些细菌细胞可视化，并与它们进行通信——即在收集患者身体状况信息的同时，告知细菌下一步该做什么——这就是天方夜谭了。基于光的成像技术，比如需要拍摄标记“报道基因”（负责编码绿色荧光蛋白）的细胞的照片时，只能先从身体中取出组织样本，然后拍照。其原因在于，光不能渗透到像肠道这样的深层组织中，但细菌细胞可以。
由于声波可以深入身体，因此Shapiro寄希望于通过超声波技术解决这一问题。大约在6年以前，当他了解到水生细菌中的充气蛋白质结构可以助其调节生物体浮力时，一个灵感闪过他的脑海——Shapiro假设这种充气结构（即空气囊泡）可以让细菌细胞通过反馈声波而与其他细胞相区别。Shapiro及其同事证实了，小鼠肠道和其他组织中的空气囊泡可以通过超声成像。该研究小组的下一个目标是，将制造空气囊泡的基因从水生细菌转移至其他类型的细菌中。例如大肠杆菌，这种细菌通常用于微生物疗法。
如何将空气囊泡的遗传机制转移到大肠杆菌中是Shapiro团队遭遇的诸多挑战中的一个。首先，他们尝试将一种水生细菌（水华鱼腥藻）中分离出来的空气囊泡基因转移到大肠杆菌中，但这个方法失败了，大肠杆菌并没有产生空气囊泡。接着，他们又尝试将大肠杆菌的亲缘细菌（巨大芽孢杆菌）中的空气囊泡基因转移至大肠杆菌中，然而由于产生的空气囊泡太小，不足以反馈声波信号，这个方法同样行不通。最后，Shapiro团队尝试了两种细菌的混合基因，这次获得了成功。大肠杆菌可以自行产生空气囊泡了。
空气囊泡基因编码的蛋白质在构筑最终的空气囊泡结构时的作用类似于建筑业中的砖和起重机——一些蛋白质是空气囊泡的构造子，另一些则是起到结构组装的作用。该团队的后续实验证明，在小鼠肠道中，基因改造后的大肠杆菌确实可以通过超声技术成像和定位了。
“这是首个用于超声成像的声学报道基因，”Shapiro讲道，“我们希望它能像绿色荧光蛋白质用于光基成像技术一样，用于超声技术。假如这能实现，将对细胞的成像技术产生革命性的影响。”研究成员称，尽管该技术将很快用于科学家对其他动物的实验，但应用于人类还为时尚早。
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编译：雷鑫宇 审稿：阿淼 编辑：张梦
