Journal Club 2018. Акустические репортеры для визуализации бактерий ультразвуком
Буду писать про самые необычные статьи. Эта, впрочем, интересна мне в первую очередь потому, что я всю аспирантуру микроскопила бактерии разных цветов (с флюоресцентными репортерами). А тут сделали репортеры акустические.
Acoustic reporter genes for noninvasive imaging of microorganisms in mammalian hosts
Что это значит? Например, можно делать генетически модицифированные пробиотики, которые потом можно будет увидеть прямо в кишках поцыента с помощью обычного ультразвука. То есть, будет понятно, приживаются ли там они и где конкретно. Или вставить эти репортеры в бактерии, которые научены находить раковые опухоли, размножаться в них и убивать их специальными токсинами. (Есть и такие, in case you wonder.) Тогда можно будет неинвазивно мониторить, как они накапливаются в опухолях, и чтобы не лезли куда не надо. Ведь ультразвуковые аппараты уже есть везде и отличаются проникновением глубоко в ткани.
Как работают акустические репортеры и что это вообще такое? Это набор из 8-14 генов, так называемая кассета, которая естественным образом присутствует в некоторых бактериях. Она кодирует белки, из которых, как из конструктора, собираются газовые пузырьки: жесткая белковая оболочка, внутри которой - воздух. С помощью пузырьков морские бактерии регулируют свою плавучесть.
Вроде как уже было известно, что такие пузырьки рассеивают звуковые волны и их можно увидеть при помощи ультразвука. Проблема в том, что если взять эту кассету генов из, например, Бациллус мегатериум, и перенести в обычную лабораторную бактерию Е.коли, то пузырьки-то в ней соберутся, но они получаются маленькие и плохо видны ультразвуком. А если взять кассету из Анабены флос-акве, то пузырьки в Е.коли вообще не накапливаются. Что делать? Почесали репу**, взяли и совместили эти два набора генов: к кассете из Анабены добавили два вспомогательных белка из кассеты Бациллуса. В итоге получаются большие красивые пузырьки и дофигищи. А главное, дают хороший контраст на обычном ультразвуковом аппарате и разрешение до 100 микрон, если смотреть в агарозных фантомах*.
Анабена флос-акве
*Узнала для себя, что для моделирования человеческих или прочих органов, чтобы тестировать ультразвук, делают агарозные подушки (агароза - это такой сахар), которые обладают сходными акустическими свойствами. И вот они называются "агарозные фантомы", классно, да?
**Интересно, сколько попыток скомбинировать то и это у них провалилось? Ведь генов-то немало в кассете. Или это было случайное открытие, хотя сомневаюсь, что кто-то просто из интереса занимался комбинаторной экспрессией в Е.колях. Разве что какой-нибудь несчастный безотказный аспирант, на которого такое повесили?%)
Дальше в статье делают всевозможное обследование бактерий, которые производят эти пузырьки, и делают вывод, что можно по желанию запускать производство пузырьков в нужном объеме и что метаболическая нагрузка, конечно, присутствует, но совсем не критическая. (Если заставить бактерию производить любой дополнительный белок, это отнимает у нее ресурсы на прочие белки, необходимые для роста и деления, поэтому такие клетки всегда будут расти и делиться чуть медленней, в зависимости от масштабов производства. Иногда они вообще загибаются, если их заставить гнать прям очень-очень много белка. Но в целом они гибкие и в хорошей питательной среде можно заставить их произвести много продукта.)
А еще что интересно - если дать по таким клеткам акустический импульс с давлением выше некоторого порога, то пузырьки схлопываются. И, соответственно, контраст на ультразвуковой картинке пропадает. При этом клеткам ничего не делается, они живут дальше и через какое-то время производят новые пузырьки. И пороговое звуковое давление, при котором пузырьки схлопнутся, можно задавать, если поменять параметры белков, формирующих оболочку пузырька - например, мутировать главный структурный белок оболочки, чтобы укоротить его длину. Получается, можно делать пузырьки с разной жесткостью. Тогда, например, если рядом будут две популяции клеток - условно, с жесткими и хрупкими пузырьками, можно будет различить их с помощью ультразвука, если последовательно хлопнуть сперва небольшой волной, потом посильнее - первыми выключатся клетки с хрупкими пузырьками, а потом с жесткими. Это очень полезное свойство - мультиплексинг, сродни микроскопическому различению белков разного цвета, они все тоже начинались с естественного зеленого флюоресцентного белка, взятого из медузы, а теперь их намутировали миллион любых цветов, от красного до фиолетового.
На сладенькое, газовые пузырьки с хорошей точностью нашли ультразвуком в кишках мыши. А еще их перенесли в специальную модицифированную бактерию Сальмонеллу тифимуриум, которая накапливается в раковых опухолях и, по идее, должна там производить токсин, который бы клетки опухоли убивал*. Теперь можно этот процесс бактериальной колонизации опухоли наблюдать с помощью ультразвука.
*Сальмонеллу эту классную сделал знакомый мне по УССД проф Джефф Хейсти:
https://www.nature.com/articles/nature18930
и статью эту мне тоже интересно бы подробно прочитать. Идея там в том, что во многих раках, особенно уже метастатических, некротическая сердцевина, куда низкий доступ кислорода. Также метастазы могут быть в экзотических малодоступных местах, куда доступ химиотерапии затруднен. А бактерии эти анаэробы и как раз в таких нишах хорошо размножаются.
В общем, хорошо так со всех сторон охарактеризовали и показали будущий потенциал технологии. Оговорились, что можно такие репортеры попробовать и в клетки млекопитающих перенести. Мне интересно, с каким разрешением можно будет детектить такие клетки, если получится. Можно ли ультразвуком добиться детекции отдельных клеток.
Acoustic reporter genes for noninvasive imaging of microorganisms in mammalian hosts
Что это значит? Например, можно делать генетически модицифированные пробиотики, которые потом можно будет увидеть прямо в кишках поцыента с помощью обычного ультразвука. То есть, будет понятно, приживаются ли там они и где конкретно. Или вставить эти репортеры в бактерии, которые научены находить раковые опухоли, размножаться в них и убивать их специальными токсинами. (Есть и такие, in case you wonder.) Тогда можно будет неинвазивно мониторить, как они накапливаются в опухолях, и чтобы не лезли куда не надо. Ведь ультразвуковые аппараты уже есть везде и отличаются проникновением глубоко в ткани.
Как работают акустические репортеры и что это вообще такое? Это набор из 8-14 генов, так называемая кассета, которая естественным образом присутствует в некоторых бактериях. Она кодирует белки, из которых, как из конструктора, собираются газовые пузырьки: жесткая белковая оболочка, внутри которой - воздух. С помощью пузырьков морские бактерии регулируют свою плавучесть.
Вроде как уже было известно, что такие пузырьки рассеивают звуковые волны и их можно увидеть при помощи ультразвука. Проблема в том, что если взять эту кассету генов из, например, Бациллус мегатериум, и перенести в обычную лабораторную бактерию Е.коли, то пузырьки-то в ней соберутся, но они получаются маленькие и плохо видны ультразвуком. А если взять кассету из Анабены флос-акве, то пузырьки в Е.коли вообще не накапливаются. Что делать? Почесали репу**, взяли и совместили эти два набора генов: к кассете из Анабены добавили два вспомогательных белка из кассеты Бациллуса. В итоге получаются большие красивые пузырьки и дофигищи. А главное, дают хороший контраст на обычном ультразвуковом аппарате и разрешение до 100 микрон, если смотреть в агарозных фантомах*.
Анабена флос-акве
*Узнала для себя, что для моделирования человеческих или прочих органов, чтобы тестировать ультразвук, делают агарозные подушки (агароза - это такой сахар), которые обладают сходными акустическими свойствами. И вот они называются "агарозные фантомы", классно, да?
**Интересно, сколько попыток скомбинировать то и это у них провалилось? Ведь генов-то немало в кассете. Или это было случайное открытие, хотя сомневаюсь, что кто-то просто из интереса занимался комбинаторной экспрессией в Е.колях. Разве что какой-нибудь несчастный безотказный аспирант, на которого такое повесили?%)
Дальше в статье делают всевозможное обследование бактерий, которые производят эти пузырьки, и делают вывод, что можно по желанию запускать производство пузырьков в нужном объеме и что метаболическая нагрузка, конечно, присутствует, но совсем не критическая. (Если заставить бактерию производить любой дополнительный белок, это отнимает у нее ресурсы на прочие белки, необходимые для роста и деления, поэтому такие клетки всегда будут расти и делиться чуть медленней, в зависимости от масштабов производства. Иногда они вообще загибаются, если их заставить гнать прям очень-очень много белка. Но в целом они гибкие и в хорошей питательной среде можно заставить их произвести много продукта.)
А еще что интересно - если дать по таким клеткам акустический импульс с давлением выше некоторого порога, то пузырьки схлопываются. И, соответственно, контраст на ультразвуковой картинке пропадает. При этом клеткам ничего не делается, они живут дальше и через какое-то время производят новые пузырьки. И пороговое звуковое давление, при котором пузырьки схлопнутся, можно задавать, если поменять параметры белков, формирующих оболочку пузырька - например, мутировать главный структурный белок оболочки, чтобы укоротить его длину. Получается, можно делать пузырьки с разной жесткостью. Тогда, например, если рядом будут две популяции клеток - условно, с жесткими и хрупкими пузырьками, можно будет различить их с помощью ультразвука, если последовательно хлопнуть сперва небольшой волной, потом посильнее - первыми выключатся клетки с хрупкими пузырьками, а потом с жесткими. Это очень полезное свойство - мультиплексинг, сродни микроскопическому различению белков разного цвета, они все тоже начинались с естественного зеленого флюоресцентного белка, взятого из медузы, а теперь их намутировали миллион любых цветов, от красного до фиолетового.
На сладенькое, газовые пузырьки с хорошей точностью нашли ультразвуком в кишках мыши. А еще их перенесли в специальную модицифированную бактерию Сальмонеллу тифимуриум, которая накапливается в раковых опухолях и, по идее, должна там производить токсин, который бы клетки опухоли убивал*. Теперь можно этот процесс бактериальной колонизации опухоли наблюдать с помощью ультразвука.
*Сальмонеллу эту классную сделал знакомый мне по УССД проф Джефф Хейсти:
https://www.nature.com/articles/nature18930
и статью эту мне тоже интересно бы подробно прочитать. Идея там в том, что во многих раках, особенно уже метастатических, некротическая сердцевина, куда низкий доступ кислорода. Также метастазы могут быть в экзотических малодоступных местах, куда доступ химиотерапии затруднен. А бактерии эти анаэробы и как раз в таких нишах хорошо размножаются.
В общем, хорошо так со всех сторон охарактеризовали и показали будущий потенциал технологии. Оговорились, что можно такие репортеры попробовать и в клетки млекопитающих перенести. Мне интересно, с каким разрешением можно будет детектить такие клетки, если получится. Можно ли ультразвуком добиться детекции отдельных клеток.