Модифицированные бактерии раскроют своё местоположение при помощи ультразвука

Изображение бактерии, содержащей аэросомы. Такие наноструктуры способны рассеивать звуковые волны, благодаря чему их можно наблюдать при помощи ультразвукового изображения.

Иллюстрация Barth van Rossum for Caltech.

Снимок, полученный с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. На нём представлена бактерия E. coli Nissle 1917, которая была генетически спроектирована, чтобы образовать собственные аэросомы.

Иллюстрация Anupama Lakshmanan/Caltech.

Художественное изображение бактериальной клетки, напоминающей по своему виду подводную лодку. Так же как субмарины отражают сигналы гидролокатора и раскрывают своё местоположение, ГМ-бактерии отражают звуковые волны и раскрывают своё местонахождение.

Иллюстрация Anupama Lakshmanan/Caltech.

В фильме 1996 года "Фантастическое путешествие" подводную лодку уменьшают и внедряют в тело учёного, чтобы устранить тромб в его мозге. Фильм, конечно, не больше чем просто выдумка, однако учёные Калифорнийского технологического института сделали нечто подобное: они впервые создали бактериальные клетки, способные отражать звуковые волны внутри организма. Разработка напоминает метод, благодаря которому специалисты раскрывают местоположение субмарин при помощи гидролокатора.

Подобная модификация бактерий в будущем пригодится учёным в медицинской визуализации. Проще говоря, врачи смогут вводить терапевтические бактерии в организм пациента, а затем использовать ультразвуковые аппараты, чтобы "ударить" по ГМ-бактериям звуковыми волнами и обнаружить их.

Таким образом, специалисты смогут создавать "карты", показывающие местонахождение микробов. И эти изображения, в свою очередь, позволят докторам понимать, достигли бактерии нужного места в организме и активны ли они.

Идея использования бактерий в качестве лекарственных средств не нова. Так, для лечения заболеваний кишечника были разработаны пробиотики. Что касается более новых решений, то недавно учёные показали: бактерии могут использоваться для преследования и уничтожения раковых клеток.

Между тем, сегодня невозможно получить данные о положении подобных бактериальных клеток внутри организма животного или человека. Методы изображения, полагающиеся на свет, работают только в образцах тканей, извлечённых из организма. Причина в том, что свет оптической части диапазона не способен проникнуть глубоко в ткани (в тот же кишечник), где и будут находиться модифицированные бактериальные клетки.

Исследователи из Калтеха намерены решить проблему при помощи ультразвуковых методов, поскольку звуковые волны могут проникнуть глубоко в тело.

Около шести лет назад ведущий автор исследования Михаил Шапиро (Mikhail Shapiro) узнал о наличии у водных бактерий особых полостей, окружённых белками. Они известны как "газовые вакуоли" (или аэросомы). Они помогают живущим в воде микроорганизмам оставаться на плаву.

Снимок, полученный с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. На нём представлена бактерия E. coli Nissle 1917, которая была генетически спроектирована, чтобы образовать собственные аэросомы.

Он заинтересовался, могут ли эти аэросомы отражать звуковые волны таким образом, чтобы бактерии с вакуолями можно было отличить от других типов клеток. Оказалось, что могут, о чём свидетельствуют эксперименты, в которых ультразвук использовался для обнаружения местоположения бактерий внутри кишечника и в других тканях мышей.

Исследовательская команда биофизиков под руководством Шапиро наделила генами водных бактерий вида Anabaena flos-aquae безобидный штамм кишечной палочки. Последний обычно используется в терапевтических целях. Генетическая "добавка" позволяла E. coli образовать аэросомы.

После преодоления некоторых проблем учёные добились того, что ГМ-бактерия произвела собственные вакуоли. Как и в случае с Anabaena flos-aquae, исследования показали, что ультразвук может использоваться для обнаружения изменённых бактерий E. coli внутри кишечника грызунов.

"Это первые акустический "репортёрный ген", подходящий для использования в ультразвуковой визуализации. Мы надеемся, что в конечном счёте наша работа сделает для ультразвука то, что зелёный флуоресцентный белок сделал для методов визуализации на основе света", — говорит Шапиро.

Художественное изображение бактериальной клетки, напоминающей по своему виду подводную лодку. Так же как субмарины отражают сигналы гидролокатора и раскрывают своё местоположение, ГМ-бактерии отражают звуковые волны и раскрывают своё местонахождение.

Напомним, что сегодня учёные часто используют клетки, маркированные "репортёрным геном", который кодирует зелёный флуоресцентный белок, для многих методов визуализации на основе света.

Если клинические испытания будут признаны успешными (до которых, впрочем, пока далеко), медики получат отличный способ убедиться в том, что терапевтические бактерии достигли своей цели и что они активны.

"Мы хотим получить возможность спросить у бактерий: где они и как у них дела? Первый шаг заключается в том, чтобы научиться визуализировать и находить клетки. Следующий шаг – общаться с ними", — заключает Шапиро.

Результаты исследования и описание работы опубликованы в научном издании Nature.