科学家利用基因工程改造史前蛋白质来检测疾病

有时，新技术的诞生源于对科学极限的突破。但有时，新技术的诞生则源于一些真正古老的事物。

为了找到更好的方法来观察活细胞内部，一组科学家将两者结合起来。他们利用了一种非常古老的东西——气体驱动的微生物，这是地球上最早的移动生命形式之一——并通过基因改造使它们对声波作出反应。

当你用超声波探测这些经过修改的细胞时，它们会发出回声，就像微型版的蓝牙追踪器一样，可以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发现早期疾病。

加州理工学院化学工程师、这项研究的研究人员之一米哈伊尔·夏皮罗 (Mikhail Shapiro) 表示：“这基本上就是在大自然中寻找它所创造的东西，也许大自然进化出这种东西是为了完全不同的目的，但作为一名工程师，你可以滥用它来实现你的目的。”夏皮罗和他的同事上个月在《自然方法》杂志上发表了他们的最新研究成果。

气体的过去影响着现在

数十亿年前，在地球的古老海洋中，微小的水生微生物已经进化出一种独立上下移动的方式：利用充满空气的纳米级蛋白质管将自己向上泵送。科学家现在将这些管子称为气囊。

把自己想象成一个细菌。产生一些气泡，你就会变得更有浮力，漂浮得更接近水面，找到更多的阳光进行光合作用，产生赋予生命的能量。当你准备回到深海时，只需像气球一样弹出几个气泡，你就会重新沉下去。

如今，水生微生物仍然使用气囊。一些小众生物学家早在一个多世纪前就已知道了它们。但直到最近十年，夏皮罗和他的同事才意识到，他们可以利用这种完全自然的进化怪癖——尤其是使之发生的 DNA——来达到自己的目的。

气囊尤其令人兴奋的是，当你用声波（尤其是超声波，其音调太高，人耳听不到）轰击它们时，它们会发出信号。

由于这种能力，负责让微生物产生气囊的基因就是研究人员所说的报告基因。通过将报告基因插入另一个细胞的 DNA，科学家可以“编程”该细胞，使其具有一种特性，使研究人员能够轻松定位和观察细胞内部。当细胞激活时，报告基因也会激活。

“现在，你可以很早就捕捉到细胞活动的变化，”安大略省伦敦市劳森健康研究所的成像科学家 Donna Goldhawk 说道，她研究报告基因，但未参与 Shapiro 的研究。

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超声波的优点

例如，该技术可以在疾病造成组织损伤之前及早发现人体疾病。检测也更安全，没有X射线可能带来的电离辐射的刺激。并且可以连续数月跟踪报告细胞。

戈德霍克说：“当你对一个细胞进行基因改造时，你就赋予了在细胞的整个自然生命周期内监测该细胞类型的能力。”

报告基因有多种类型。Goldhawk 团队研究的是一种报告基因，它能产生磁性含铁蛋白质，这些蛋白质在 MRI 上会发光。另一种非常常见的报告基因会产生一种叫做绿色荧光蛋白 (GFP) 的东西，这种蛋白源自水母。如果你把它的 DNA 放入细胞中以产生 GFP，那么这个细胞就会像它听起来的那样：暴露在合适的光线下，它会发出绿光。

但夏皮罗表示，使用声音比使用光有几个优势。首先，GFP 只能在表面下 1 毫米处起作用，而超声波可以看得更深。这意味着你可以使用超声波观察生物体或器官，而无需切开它们。

夏皮罗说：“如果你想观察组织深处的东西，超声波是唯一的方法之一。”

尽管在实验室之外很少存在观察荧光细胞的技术，但超声波却更为普遍。“它是世界上使用最广泛的生物医学成像技术，”夏皮罗说。“几乎每个医生办公室都有超声波。”根据你的年龄，你的第一张照片很可能是你在子宫里的超声波图像。

报告基因的未来

几年来，夏皮罗的研究小组一直在将气体囊泡的 DNA 插入细胞并对其进行微调。他们现在能够做的是大幅增加报告基因发出的信号。他们通过制造气体囊泡来实现这一点，当你用超声波敲击它们时，它们会发出可听见的爆裂声——就像微生物潜水时发出的声音一样。这就是他们最新的《自然方法》论文中的内容。

戈德霍克表示，夏皮罗团队是第一个研制出基于声音的报告基因的团队。“这绝对是新技术。”

夏皮罗梦想着未来每个生物实验室都配备超声波机器，用于观察用报告基因细胞培育的小鼠。但在此之前还有很长的路要走。尽管超声波机器相当常见，但夏皮罗表示，实际将其用于此目的需要更好的成像设备，以及更好的蛋白质。“目前，我认为我们正处于整个领域发展的初期，”他说。

但科学家们已经在考虑如何利用报告基因的强大能力来开发细胞：不仅仅是观察细胞，还要控制它们。除了使用基因工程细胞进行诊断外，Goldhawk 还预见到，含有报告基因的细胞最终可以对抗感染，而无需使用抗生素，也不会招致抗生素耐药性的困扰。

她说：“如果我们能够利用细菌重新定居在任何器官中，并通过缩小细胞数量来消除感染，那会怎样？”