研究人员正在开发一种通过结合人类细菌和病毒DNA来利用超声对哺乳动物基因表达进行成像的技术。
现代细胞生物学家工具箱中一些最重要的工具是特殊的DNA片段，它们像间谍一样起作用，报告细胞的功能。这些标记称为报告基因，使研究人员可以通过观察嵌入在其DNA中的遗传程序的开启和关闭来了解细胞的功能。
记者基因通过编码可以从细胞外看到的蛋白质来发挥作用。一个特别流行的报告基因编码一种叫做绿色荧光蛋白（GFP）的东西，其名字真实，是一种发出明亮绿色光的蛋白。因此，如果研究人员想了解有关细胞如何成为神经元的更多信息，他们可以将GFP基因与神经元基因一起插入胚胎的DNA中。当胚胎的细胞打开神经元基因时，它们还将表达GFP基因，并且细胞会发出绿色光，这使研究人员很容易看到编码神经元形成的遗传程序是活跃的。
尽管这项技术一直有用，但它有一个很大的局限性：由于光线无法很好地穿透大多数生物组织，因此GFP基因无法用于监测生物体内深层细胞的活性。但是现在，加州理工学院的Mikhail Shapiro有了解决方案。传统医学研究所化学工程教授兼研究人员Shapiro，研究生Arash Farhadi及其同事组成的团队开发出了一种报告基因，使他们能够使用超声波观察遗传活性，超声波可以穿透组织深处，而不是光。
他们在《科学》杂志的一篇论文中描述了这项工作。
为了发展他们的“声学报告基因”，Farhadi和Shapiro从一种漂浮的细菌中借用了蛋白质，这些细菌形成并包含微小的充满空气的蛋白质小室，称为气体囊泡。
气体囊泡除了具有浮力外，还具有另一个有用的特性：正如Shapiro的实验室在2014年所证明的那样，它们在超声成像中表现出强烈的优势。当暴露于超声下时，细胞会突出显示。
为了将编码气体小泡蛋白的基因转变为报告基因，Shapiro和Farhadi需要做以前从未做过的事情：将9种基因的基因程序从细菌移植到哺乳动物细胞中，在这种情况下，是人类肾脏细胞（HEK细胞）。
这样做不是一个简单的过程，因为细菌和哺乳动物在其DNA中读取基因的方式有所不同。这意味着尽管Shapiro和Farhadi可以将细菌DNA插入细胞中，但是这些细胞不知道如何处理该DNA，这类似于为Apple计算机编写的程序不会在Windows计算机上运行。
Farhadi说：“两种细胞的翻译机制非常不同。” “最大的区别之一是在细菌中，通常在DNA中排列多个基因，以便将它们转录成一个共享的RNA，然后将其翻译成所有相应的蛋白质，而在真核生物中，每个基因都是通常是独立的。”
夏皮罗说，解决方案来自另一种DNA来源：病毒。
夏皮罗说：“病毒还需要诱使哺乳动物细胞表达一堆蛋白质。” “因此，我们利用病毒元件诱使细胞从共享的RNA片段中产生多个基因。”通过这种方式，Farhadi及其同事将8个基因组合在一起形成了一条RNA。
但是，即使将有效的细菌DNA插入HEK细胞后，Shapiro和Farhadi仍然没有完整的解决方案。细胞正在制造气体囊泡蛋白，但没有形成气体囊泡。事实证明，不仅需要生产蛋白质，而且还需要以正确的比例生产蛋白质。
夏皮罗把它比作一个建筑工地。建筑物可能由木头，玻璃和砖块组成，但是如果工人露面时主要是窗户，而砖块很少，那么他们将无法建造建筑物。
除了提供建筑材料外，由气体囊泡基因编码的一些蛋白质还起着建筑机械的作用，例如起重机，推土机等，它们被用来制造气体囊泡。如果一个建筑工地有50台起重机，但只有一台推土机，则该项目可能无法完成。比率再次是关键。
“正确的蛋白质比例被编程到细菌基因簇中，但是当我们将它们放入哺乳动物细胞中时，我们必须弄清楚这些比例是必需的，以及如何使哺乳动物细胞正确地制造它们。” 。
夏皮罗（Shapiro）和法哈迪（Farhadi）说，要弄清这一点，就需要一个耗时数年的系统过程。既然他们具有有效的基因，他们说他们将能够使用它们研究肿瘤，免疫细胞，神经元和活生物体中其他细胞类型中的基因表达。通过进一步的改进，他们希望世界各地的生物学家将使用超声波探查模型生物，以研究其自然生物学环境中的细胞，并希望医生有朝一日可以使用超声波来监测患者基于细胞的疗法的命运。
夏皮罗说：“改善荧光蛋白已有20多年的工作，我们可能有20年的时间来改善我们开发的蛋白质，但这是概念的关键证明。”
——文章发布于2019年9月28日
