本期分享的一篇文章是2018年1月4日发表在 Nature 上的一篇脑洞大开的应用类文章：Acoustic reporter genes for noninvasive imaging of microorganisms in mammalian hosts，理解本文大致需要的知识有：

• 遗传学的相关实验操作，如转基因、诱导表达等

本文的主要亮点

构建了声学报告系统，可以通过超声波成像来对携带这些报告分子的微生物在寄主体内的位置进行活体非侵入式成像，并且通过基因工程的改造构建了这种声学报告系统的不同变体，进而可以对不同群体的微生物进行同时成像，得到更丰富的信息。

声学成像报告系统简介

相较于之前对微生物的检测基于光学成像，本文所介绍的报告系统利用了生物界浮游生物的一种奇妙的蛋白：Gas vesicles protein 来进行声学成像。这种蛋白在浮游微生物的细胞内行使着类似鱼鳔的作用，由于是使用声波成像，使得这项技术可以观察到更深层的组织，大家都知道，在光学成像过程中，由于光的散射问题，使得深层组织的成像遇到了许多问题，之后开发出了双光子，三光子成像技术来部分截距这一问题，本文的声学成像系统感觉给了更多想象空间。

Fig1

Fig1.a展示了作者构建成像系统的大致过程，首先，编码Gas vesicles protein(后文简称Gvp)蛋白复合体的基因约为8-14个，如图中所示的两个物种 Bacillus megaterium 和 Anabaena flos-aquae，研究者分别将这两个物种编码Gvp蛋白的基因导入大肠杆菌中是，发现并不能形成可以成像的蛋白复合体，于是构建了新的变体，即将Bacillus megaterium 基因簇中的 A/B/C 分别换成Bacillus megaterium来源的 B 基因的B变体和Anabaena flos-aquae 来源的 A/A 串联变体AA， 与Anabaena flos-aquae 来源的 A/A/C 来源的ARG1变体，发现新变体ARG1的成像效果不错，之后的研究就选取了这一变体。

Fig1.b、c分别是三种变体在细胞中和蛋白结晶的的TEM成像结果，可以发现ARG1变体的蛋白确实要大一些。

为了证明声波的成像结果确实是由于Gpv蛋白引起的，作者做了两组对照，如Fig1.d所示，分别是导入 GFP 基因组和高压脉冲使得Gpv结构改变，无法成像(图中 collapsed 一行)组，可以发现在对照组中，成像信号都很弱，几乎和背景相同。

Fig.2

更近一步，为了检测ARG成像系统的灵敏性，作者分别设计了不同的细胞浓度梯度以及使用诱导物IPTG的浓度梯度，可以发现随着浓度梯度的增高，信号也在逐渐变强。最低浓度大约为$5 \times 10^7 cells ml^{-1}$。通过生化分析，这些蛋白约占整个细胞体积的10%，质量在$9.4 \times 0.4 mg \ g^{-1}$。

Fig.3

也有同时对多个细胞群体进行成像将带来更多的信息，例如荧光蛋白中的各色荧光蛋白家族，作者的想法是通过构建不同的变体，使得他们的稳定性不同，通过增加压力，可以使得在一些稳定性较低的压力下瓦解，无法成像，这样的策略可以通过改变压力记录不同群体细胞的成像信号，最后将这些信号merge在一起，实现多个群体细胞的观测。

但这个存在的问题是，观测只能进行一次，如果之后可以开发出可逆性的破坏方法也许更好，不过大肠杆菌蛋白的再生速度也比较快，下次蛋白再生后也是可以观察的，这个问题应该不大。

如Fig3.a所示，作者构建了两种变体ARG1、ARG2。结合Fig3.d可以发现，作者的这个方案是可行的。

Fig.4

前面提到的观察方法都是在细胞悬液或者含有细菌的胶板上进行的，那么在活体宿主中这个技术是否还好使呢，于是选取了小鼠的胃肠束进行了注射实验。胃肠束组织位于腹腔深处，传统的光学成像就有很大的局限性了，为了对比，作者分别把含有声学报告系统的ARG1和光学报告系统的LUX大肠杆菌注射到小鼠的胃肠束中，可以发现LUX几乎观察不到什么信号，ARG1表现很好(Fig4.d)，并且ARG1的成像也很清晰准确，例如分别在胃肠束的外围和中心注射大肠杆菌，在最后的成像过程中也可以清楚的看到区别(Fig4.e、g)

总结

这篇是一个硬技术，应该是第一次想到声学成像的并完成的，感兴趣可以跟进一下之后的研究，我有一点好奇的是，为什么2016年12月就投稿了，为什么2017年11月才接受，感觉不太像是去补动物实验了，这篇不是我的势力范围，有许多专业名词翻译肯定有问题，提前声明防被暴击打脸。