Small | 基因調(diào)控生物氣囊超聲造影劑的粒徑尺寸及其成像
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成所嚴(yán)飛研究員團(tuán)隊(duì)在Small期刊在線發(fā)表題為“Genetic Modulation of Biosynthetic Gas Vesicles for Ultrasound Imaging”的研究論文。該研究系統(tǒng)評估了生物氣囊蛋白的功能,構(gòu)建了生物氣囊合成的最簡基因線路,實(shí)現(xiàn)了對生物氣囊粒徑大小的遺傳改造與調(diào)控,獲得了僅有20 nm的生物氣囊,有利于跨越體內(nèi)各種生物學(xué)屏障,為擴(kuò)展其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)院嚴(yán)飛研究員為文章的通訊作者,團(tuán)隊(duì)已畢業(yè)博士研究生扶美君,研究助理王媛媛為文章的共同第一作者。

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原文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.202310008
生物氣囊可作為一種新型的納米級超聲造影劑。近期有研究在大腸桿菌中異源表達(dá)了生物氣囊,可通過超聲成像可視化在體內(nèi)的工程化細(xì)菌,為研究微生物與宿主間的相互作用提供了新的工具。然而,大多數(shù)重組氣囊蛋白的功能尚不明確,基因線路過長難以在基因水平上對其進(jìn)行遺傳改造。因此,氣囊基因簇作為聲學(xué)報(bào)告基因還需進(jìn)一步優(yōu)化。
在本項(xiàng)目研究中,研究團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了去除單個(gè)氣囊基因的缺失突變體,確定了單個(gè)氣囊蛋白對生物氣囊形成的影響。相差顯微鏡與透射電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ARG1氣囊基因線路中的GvpC,GvpR,GvpN,GvpT和GvpU不是氣囊形成所必需的氣囊蛋白,單獨(dú)敲除GvpR,GvpN與GvpU后氣囊粒徑變小,而敲除GvpT后氣囊粒徑變大。接著,研究團(tuán)隊(duì)通過基因工程的方法,對氣囊粒徑大小進(jìn)行調(diào)控,獲得了不同粒徑大小的超小氣囊(從50 nm到20 nm)。隨后,確定了生物氣囊基因簇合成氣囊所需的最小基因線路(僅為4200 bp),證明了同時(shí)敲除GvpC,GvpR,GvpN,GvpT和GvpU后,大腸桿菌仍然能夠合成生物氣囊。最后,研究團(tuán)隊(duì)評估了大腸桿菌中表達(dá)缺失突變體?GvpCRTU的超聲成像性能,研究結(jié)果表明缺失突變體?GvpCRTU合成的氣囊可在肝臟中產(chǎn)生較強(qiáng)的超聲造影信號。綜上所述,本研究為氣囊蛋白在生物氣囊形成過程中的作用提供了新的見解,產(chǎn)生的超小氣囊具有廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。

圖1.構(gòu)建不同氣囊蛋白突變體用于超聲成像示意圖。

圖2.表達(dá)?GvpRU、?GvpRT、?GvpTU氣囊蛋白突變體的大腸桿菌相差顯微鏡(上排)和電鏡圖(下排)。
該研究工作獲得了國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的支持。
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