超声成像技术扩展到微观领域

超声成像,因为大多数人都熟悉它,用于拍照的胎儿虽然仍在子宫内,但它有其他医疗用途,如诊断疾病的器官和组织。

多年来,加州理工学院的米哈伊尔•夏皮罗一直致力于超声波成像延伸到微观领域。现在,通过基于基因工程的新突破,他让研究人员可以用超声波观察细胞内酶在工作。

在一篇新论文中出现在《自然化学生物学》杂志上,夏皮罗和铅作者Anupama看到(博士学位19)和医学工程研究生,担任英语和汉语教师和他们的同事们描述他们是如何利用基因的一种蛋白质,帮助细菌漂浮在水时创建一个微型超声标记,表明细胞内某些酶活跃。

这个预先建立在先前的研究夏皮罗的实验室进行所谓的声学报告基因,编码的蛋白质,从外面可以看到用超声波细胞。研究人员从一种借这些蛋白质活跃的细菌。这些细菌的蛋白质形成微小的充气蛋白质外壳,称为气体的囊泡,帮助细菌漂浮在水中。夏皮罗的研究小组发现气泡出现强烈超声成像,包括基因编码时纳入其他细菌或哺乳动物细胞。

气体囊泡的超声波等价物流行的绿色荧光蛋白,,正如它的名字,是一种蛋白质,会发出明亮的绿色。研究人员通常使用绿色荧光蛋白的基因作为一个所谓的报告基因。如果一个细胞发光的绿色与光学显微镜观察,基因是活跃的。荧光报告基因的主要缺点是他们的产品不能被组织如肌肉深处不透明会与人体的大部分。相比之下,可见超声波声报告基因,能深深地穿透活组织。

报告基因的表达模式是有用的监测细胞的内部行为。例如,更多地了解细胞如何成为神经元,研究人员可以将报告基因与神经基因插入一个胚胎的DNA。当胚胎的细胞打开神经元基因,他们也将表达报告基因,细胞将显示特征签名。这使研究人员可以轻松地看到遗传程序编码神经元形成活跃。

这只是第一步,夏皮罗说。

“基因表达只是数以百计的重要的一个生物过程发生在细胞,”他说。“看,是伟大的,但我们希望延长我们的观点单元中的所有其他活动”。

这个扩展已经用荧光蛋白,该病毒变体设计改变荧光在细胞内分子如钙、脂质,或酶。这些荧光生物传感器是受研究人员在显微镜下研究细胞生物学。但与其他荧光蛋白,他们很难看到生活的组织。

在最新的研究中,夏皮罗的团队开发的第一个生物传感器使用超声波,允许研究人员告诉特定酶一直忙于工作时在一个细胞位于身体深处。

酶是专门蛋白质作为生物催化剂,是,他们促进细胞内的化学反应,创造新的生物化合物和分解,它们参与的几乎每一个方面什么细胞的过程中它的生命。因为中央酶在生物过程中所扮演的角色,研究人员一直在渴望了解他们在细胞内是如何表现的。

看到和金建立在之前学到的气泡研究和修改了气体的囊泡,所以他们可能使用的酶细胞的目标。

他们改变了蛋白质形成气泡,这样他们可以识别类似于一些常见的自然目标并得到充分研究的酶,这将因此减少表面蛋白。

“我们发现,这些表面蛋白坐在表面的气泡壳牌和更严格的和影响其机械和声学特性,“看到说。“如果你把表面蛋白,外壳变得柔和,所以能够变形气泡更容易。”As a result, there is a brighter ultrasound signal when enzyme activity is increased. For her work with gas vesicles, Lakshmanan was awarded Caltech's 2019 Milton and Francis Clauser Doctoral Prize, which is given annually at commencement to the PhD candidate whose research is judged to exhibit the greatest degree of originality and potential for opening up new avenues of human thought and endeavor.

“这些酶是细胞的中心,现在我们正在看这种工作,”金说。“我们的生物传感器设计的美妙之处在于,它可以修改任何酶有人感兴趣学习。这是一个平台,进一步研究。”

参考
看到一个。金,Z。、Nety……等。声学传感器超声波成像的酶活性。Nat化学杂志》(2020)。https://doi.org/10.1038/s41589 - 020 - 0591 - 0

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