有时，新技术源于突破科学的极限。但有时，它也源于真正古老的事物。
为了寻找观察活细胞内部的更好方法，一组科学家兼顾了这两者。他们利用了非常古老的东西——气体驱动的微生物，这是地球上最早的运动生命形式之一——并对其进行了基因工程改造，使其能够响应声波。
当用超声波探测这些经过改造的细胞时，它们会发出信号进行回应，就像微型的“歌唱”蓝牙追踪器一样，帮助定位隐藏的设备。这些定位器最终可用于观察神经元和早期疾病的检测。
“基本上，我们是在大自然中寻找它制造出来的东西，也许大自然是为了完全不同的目的而进化出它，但工程师可以将其用于自己的目的，”加州理工学院的化学工程师、该项目研究人员之一的Mikhail Shapiro说道。Shapiro和他的同事们于上个月在Nature Methods 期刊上发表了他们的最新研究。
气体的过去影响着现在
数十亿年前，在地球的古老海洋中，微小的水生微生物进化出了一种独立上下移动的方法：通过充满空气的纳米级蛋白质管来充气。科学家们现在称这些管为气囊。
想象一下你是一颗细菌。产生一些气囊，你会变得更具浮力，漂浮到水面寻找更多的阳光进行光合作用，获取生命能量。当你准备返回深处时，只需像气球一样戳破几个气囊，你就会下沉。
如今，水生微生物仍然使用气囊。一些小众的生物学家对此已经研究了一个多世纪。但直到最近十年，Shapiro和他的同事们才意识到他们可以利用这种完全自然的进化特征——特别是使其发生的 DNA——来为己所用。
气囊之所以特别令人兴奋，是因为当你用声波探测它们时——特别是人耳听不到的超高频超声波——它们会发出信号进行回应。
正因如此，负责让微生物产生气囊的基因被研究人员称为报告基因。通过将报告基因插入另一个细胞的 DNA 中，科学家们可以“编程”该细胞，赋予其一种特性，使研究人员能够轻松地定位和观察该细胞。当一个细胞被激活时，报告基因也会被激活。
“现在，你可以真正及早地捕捉到细胞活动的改变，”安大略省伦敦市劳森健康研究所的成像科学家Donna Goldhawk说，她研究报告基因，但并未参与Shapiro的研究。
超声波的优势
例如，这项技术可以在疾病早期检测出来，在它们造成组织损伤之前。这种检测也可能更安全，不像 X 射线那样可能带有电离辐射的苦涩副作用。而且报告细胞可以被追踪数月之久。
“任何时候你将基因修饰引入一个细胞，你就赋予了在整个自然生命周期内监测该细胞类型的能力，”Goldhawk说。
报告基因有多种类型。Goldhawk的团队使用一种产生磁性含铁蛋白质的报告基因，该蛋白质在 MRI 上会发光。另一种非常常见的报告基因产生一种叫做绿色荧光蛋白 (GFP) 的物质，它起源于水母。如果你将它的 DNA 放入细胞中产生 GFP，该细胞就会如其名：在适当的光照下，它会发出绿色的荧光。
但 Shapiro 表示，使用声音而不是光有几个优势。首先，GFP 只能穿透表面下方一毫米的深度，而超声波可以探测更深。这意味着你可以使用超声波来观察生物或器官，而无需切割它们。
“如果你试图观察组织深处的东西，超声波是唯一的方法之一，”Shapiro说。
而且，虽然观察荧光细胞的技术很少能在实验室外找到，但超声波更加普及。“它是世界上使用最广泛的生物医学成像技术，”Shapiro说。“几乎每个医生办公室都有超声波设备。” 根据你的年龄，你很可能你人生中的第一张照片就是你在子宫里的超声波图像。
弹出式报告基因的未来
几年来，Shapiro的团队一直在将气囊的 DNA 插入细胞并对其进行微调。他们现在已经能够显著增强报告基因发出的信号。他们通过制造气囊来实现这一点，这些气囊在被超声波探测时会发出“弹出”的声音——就像微生物在潜水时一样。这正是他们最新发表在 Nature Methods 期刊上的研究内容。
据 Goldhawk 称，Shapiro的团队是第一批开发出基于声音的报告基因的团队。“这绝对是一项新技术。”
Shapiro梦想着一个未来，每个生物实验室都配备一台超声波机，用于观察经过基因报告基因改造的细胞培育的小鼠。但在此之前还有很长的路要走。尽管超声波机相当普遍，但 Shapiro 表示，将其用于此目的还需要更好的成像设备，以及更好的蛋白质。“我认为，目前我们正处于整个领域发展的非常早期阶段，”他说。
但科学家们已经在考虑利用报告基因强大能力的细胞的应用：不仅仅是观察细胞，而是控制它们。除了使用基因工程改造的细胞进行诊断，Goldhawk 预测，含有报告基因的细胞最终可以，例如，在不使用抗生素且避免产生抗生素耐药性的情况下对抗感染。
“如果我们能用能够重新定殖任何器官并消除感染的微生物来治疗感染呢？”她说，“通过缩小细胞数量来达到这个目的？”
