如图所示，这种蛋白质外壳结构被称为气体囊泡。它可通过乐高型蛋白质进行设计加工以改善对特定细胞类型的超声波检测和成像方式。

随着发展，超声成像将使医生能够更深入地观察人体内特定的细胞和分子，例如我们肠道中与肿瘤或细菌相关的细胞和分子。

Caltech的一项新研究概述了蛋白质工程技术是如何有助于实现这一里程碑的。研究人员设计了称为气体囊泡（它能够反射声波）的蛋白质壳层纳米结构，这种纳米结构展现出了一种对超声波技术有用的新特性。这些气体囊泡将在未来施用于患者以使患者的目标组织可视化。

研究指出，改进的气体囊泡可以发出更多独特且明显的信号（使它们更容易被成像）。并且这些气体囊泡可以靶向特定的细胞类型以此帮助创建彩色超声图像。

一位化学工程专业的助理教授对首席遗传研究研究员Mikhail Shapiro说：“这种研究与分子式的乐高工程技术有些相像” 。Mikhail Shapiro是这项研究报告的高级作者，此项研究被刊登在本月《ACS Nano》 期刊中并成为封面头条。他说： “我们可以在气体囊泡表面交换不同的蛋白质 ‘组件’以改变它们的靶向特性，并以不同颜色显示多个分子。”

气体囊泡的遗传工程：从漂浮的光合微生物中分离的带有遗传编码的蛋白质纳米结构。这项工程使得纳米结构在机械、声学、表面和功能方面上具有了新的特性。同时，这项工程也让谐波、多路复用和多模式超声成像以及特异细胞的分子靶向性得以实现。 （参考：Anupama Lakshmanan等人/ACS Nano）

Shapiro于2014年首先发现了超声成像中气体囊泡的潜在用途。 这些充气结构天然存在于水栖的单细胞生物体中，例如鱼腥藻——一种形成多细胞链的丝状团块的蓝细菌。

气体囊泡可以帮助单细胞生物体控制其漂浮程度从而控制其暴露在水面阳光下的程度。 Shapiro意识到囊泡会在超声成像期间即时地反射声波，并最终通过小白鼠实验证实了这一点。

一种称为GvpC（气体囊泡蛋白C）的遗传工程蛋白质可用于改变气体囊泡纳米结构的声学特性。 （参考：Anupama Lakshmanan等人/ACS Nano）

在最新的研究中，Shapiro和他的团队通过处理气体囊泡蛋白C或GvpC来为气体囊泡提供新的属性。气体囊泡蛋白C或GvpC是囊泡表面天然存在的一种蛋白质，这种蛋白质赋予囊泡机械强度并防止囊泡的塌陷。这种蛋白质可以被设计成不同的尺寸，而随着其长度的增加它能够产生更强、更坚韧的纳米结构。

在一个实验中，科学家们将强化蛋白从气体囊泡中转移至工程化的囊泡上，并将此囊泡施用于小白鼠体内以进行超声波成像。与正常囊泡相比，工程化的囊泡在声波中振动更大，并与谐波频率产生共振。

当声波反弹时，谐波便产生了。例如在小提琴中就会产生谐波。同时，它还会形成具有两倍和三倍频率的新波形。由于谐波不容易在天然组织中产生，这使得这种囊泡在超声波成像中脱颖而出。

在另一组实验中，研究人员展示了如何使气体囊泡识别体内特定的靶向组织。他们通过用基因工程改造后的囊泡来显示各种靶细胞，例如它可以识别在肿瘤细胞中过度产生的一种被称为整合素的蛋白质的氨基酸序列。

多色超声图像

该团队还展示了如何创建多色超声图像。传统的超声波图像以黑白图像呈现，Shapiro的小组则创造了一种方法可以使超声波图像多彩化。他们将三种不同类型的气体囊泡同时成像，基于它们在压力下抵抗崩溃的差异能力形成多种颜色的图像。囊泡本身并不会呈现不同的颜色，但它们可以根据其不同的属性分配颜色。

为了证明这一点，该团队制作了三种具有不同GvpC蛋白版本的囊泡。然后他们通过增加超声波压力来控制三种具有不同GvpC蛋白版本的囊泡的逐一破裂。

当三种具有不同GvpC蛋白版本的的囊泡逐一破裂时，超声波信号会根据样本中不同GvpC蛋白版本的囊泡的数量成比例地减小，然后将该信号变化映射到特定的颜色。将来如果每个变体群体有其针对的特定细胞类型，那么研究人员将能够以多种颜色将细胞可视化。

“您将可能看到肿瘤细胞与正在攻击肿瘤的免疫细胞间的对抗，从而得以监测治疗进展和效果，”Shapiro说。

题目为“声学蛋白纳米结构分子工程”的ACS纳米论文，是由国立卫生研究院，国防高级研究计划署，加州理工学院医学与科学进步遗产研究所和Burroughs Wellcome基金共同资助的 。

翻译：许凯南

参考文献：

Anupama Lakshmanan, Arash Farhadi, Suchita P. Nety, Audrey Lee-Gosselin, Raymond W. Bourdeau, David Maresca, Mikhail G. Shapiro. Molecular Engineering of Acoustic Protein Nanostructures. ACS Nano, 2016; 10 (8): 7314 DOI: 10.1021/acsnano.6b03364

原文摘要：超声波是使用最广泛的生物医学成像方式之一。但由于缺乏合适的纳米尺度造影剂，导致超声波对特定分子的成像能力有限。气体囊泡：这种从漂浮的光合微生物中分离的带有遗传编码的蛋白质纳米结构，最近被确定为超声波纳米级传递者。它们独特的物理特性相比传统微泡造影剂有着显著的优势。这些优势包括纳米级的尺寸和固有的物理稳定性。此外，作为遗传编码的材料，气体囊泡对成像剂的纳米级机械性、声学性和靶向性方面表现出了构成蛋白水平上设计加工的可能性。在这里，我们证明气体囊泡基因工程使得纳米结构在机械、声学、表面和功能方面具有了新的特性。同时，这项工程也让谐波、多路复用和多模式超声成像以及特异细胞的分子靶向性得以实现。这些结果建立了声学纳米材料工程的生物分子平台。

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