Ученые создали бактерии, отражающие «сонарные» сигналы для ультразвуковой визуализации

Исследователи из Caltech впервые создали бактериальные клетки, способные отражать звуковые волны, подобно тому, как подводные лодки отражают сонар. Цель — в будущем вводить терапевтические бактерии (например, пробиотики для лечения заболеваний кишечника или для таргетной терапии опухолей) и с помощью ультразвука определять их местоположение в организме, чтобы контролировать эффективность лечения.

«Мы хотим научиться визуализировать и локализовать клетки, а затем — общаться с ними», — говорит Михаил Шапиро, ведущий автор исследования.

Проблема визуализации

Существующие методы визуализации на основе света (например, с использованием зеленого флуоресцентного белка) не работают в глубоких тканях организма. Ультразвук лишен этого недостатка, но для него нужны специальные контрастные агенты внутри клеток.

Решение: газовые везикулы

Ключевой идеей стало использование газовых везикул — белковых структур, заполненных газом, которые естественным образом встречаются у водных бактерий и помогают им регулировать плавучесть. Эти структуры могут эффективно рассеивать звуковые волны.

Генетическая инженерия E. coli

Ученые поставили задачу перенести гены, ответственные за сборку газовых везикул, в бактерию Escherichia coli, которая широко используется в микробной терапии.

Первые попытки переноса генов от бактерии Anabaena flos-aquae не увенчались успехом — E. coli не производила везикулы. Перенос генов от более близкого родственника Bacillus megaterium привел к созданию слишком мелких везикул, плохо рассеивающих звук.

Успех принесла комбинация генов от обоих видов: «кирпичи» (структурные белки) от Anabaena flos-aquae и «краны» (белки-сборщики) от Bacillus megaterium. Модифицированные E. coli начали самостоятельно производить функциональные газовые везикулы.

Результаты

Эксперименты подтвердили, что модифицированные E. coli можно визуализировать и точно локализовать в кишечнике мышей с помощью ультразвука.

«Это первый акустический репортерный ген для ультразвуковой визуализации. Мы надеемся, что он совершит для ультразвука такую же революцию, как зеленый флуоресцентный белок — для световой микроскопии», — заявил Шапиро.

Исследование опубликовано 4 января в журнале Nature. Ведущий автор — Раймонд Бурдо.

Технология вскоре станет доступна для исследований на животных, но для применения в медицине на людях потребуются дополнительные годы разработки.