I science fiction-filmen Fantastic Voyage från 1966, en ubåt krymps ner och injiceras i en forskares kropp för att reparera en blodpropp i hans hjärna. Även om filmen kanske fortfarande är fiktion, forskare vid Caltech gör framsteg i denna riktning:de har, för första gången, skapade bakterieceller med förmågan att reflektera ljudvågor, påminner om hur ubåtar reflekterar ekolod för att avslöja var de befinner sig.

Det slutliga målet är att kunna injicera terapeutiska bakterier i en patients kropp – till exempel, som probiotika för att hjälpa till att behandla sjukdomar i tarmen eller som riktade tumörbehandlingar – och använd sedan ultraljudsmaskiner för att träffa de konstruerade bakterierna med ljudvågor för att generera bilder som avslöjar var mikroberna befinner sig. Bilderna skulle låta läkare veta om behandlingarna kom till rätt plats i kroppen och fungerade korrekt.

"Vi konstruerar bakteriecellerna så att de kan studsa ljudvågor tillbaka till oss och låta oss veta var de är på samma sätt som ett fartyg eller ubåt sprider ekolod när ett annat fartyg letar efter det, " säger Mikhail Shapiro, biträdande professor i kemiteknik, Schlinger Scholar, och Heritage Medical Research Institute Utredare. "Vi vill kunna fråga bakterierna, "Var är du och hur mår du?" Det första steget är att lära sig att visualisera och lokalisera cellerna, och nästa steg är att kommunicera med dem."

Resultaten kommer att publiceras i numret av tidskriften den 4 januari Natur . Huvudförfattare är Raymond Bourdeau, en före detta postdoktor i Shapiros labb.

Tanken på att använda bakterier som medicin är inte ny. Probiotika har utvecklats för att behandla tillstånd i tarmen, såsom irritabel tarmsjukdom, och några tidiga studier har visat att bakterier kan användas för att rikta in sig på och förstöra cancerceller. Men att visualisera dessa bakterieceller såväl som att kommunicera med dem – både för att samla information om vad som händer i kroppen och ge bakterierna instruktioner om vad de ska göra härnäst – är ännu inte möjligt. Avbildningstekniker som är beroende av ljus - som att ta bilder av celler taggade med en "reportergen" som kodar för grönt fluorescerande protein - fungerar bara i vävnadsprover som tas bort från kroppen. Detta beror på att ljus inte kan tränga in i djupare vävnader som tarmen, där bakteriecellerna skulle vistas.

Shapiro vill lösa detta problem med ultraljudstekniker eftersom ljudvågor kan färdas djupare in i kroppen. Han säger att han hade ett eureka-ögonblick för ungefär sex år sedan när han lärde sig om gasfyllda proteinstrukturer i vattenlevande bakterier som hjälper till att reglera organismernas flytförmåga. Shapiro antog att dessa strukturer, kallas gasvesiklar, kunde studsa tillbaka ljudvågor på ett sätt som gör att de kan skiljas från andra typer av celler. Verkligen, Shapiro och hans kollegor visade att gasvesiklarna kan avbildas med ultraljud i tarmarna och andra vävnader hos möss.

Teamets nästa mål var att överföra generna för att göra gasvesiklar från de vattenlevande bakterierna till en annan typ av bakterier - Escherichia coli, som vanligtvis används i mikrobiell behandling, såsom probiotika.

"Vi ville lära ut E coli bakterier för att själva göra gasvesiklarna, " säger Shapiro. "Jag har velat göra det här ända sedan vi insåg potentialen med gasvesiklar, men vi träffade några vägspärrar på vägen. När vi äntligen fick systemet att fungera, vi var extatiska."

En av utmaningarna som teamet stötte på var överföringen av det genetiska maskineriet för gasvesiklar till E coli . De försökte först överföra gasvesikelgener isolerade från en vattenlevande bakterie som heter Anabaena flos-aquae, men det här fungerade inte—den E coli misslyckades med att göra vesiklarna. De försökte igen med gas-vesikelgener från en närmare släkting till E coli , en bakterie som heter Bacillus megaterium. Detta lyckades inte heller, eftersom de resulterande gasvesiklarna var för små för att effektivt sprida ljudvågor. Till sist, teamet provade en blandning av gener från båda arterna – och det fungerade. De E coli gjort gasvesiklar på egen hand.

Gasvesikelgenerna kodar för proteiner som fungerar som antingen tegelstenar eller tranor när de bygger den slutliga vesikelstrukturen - några av proteinerna är byggstenarna i vesiklarna medan vissa hjälper till att faktiskt montera strukturerna. "Väsentligen, vi kom på att vi behöver tegelstenarna från Anabaena flos-aquae och kranarna från Bacillus megaterium för att E coli att kunna göra gasvesiklar, säger Bourdeau.

Efterföljande experiment från teamet visade att den konstruerade E coli kunde verkligen avbildas och lokaliseras i tarmarna på möss med hjälp av ultraljud.

"Detta är den första akustiska reportergenen för användning vid ultraljudsavbildning, " säger Shapiro. "Vi hoppas att det i slutändan kommer att göra för ultraljud vad grönt fluorescerande protein har gjort för ljusbaserade avbildningstekniker, som är att verkligen revolutionera avbildningen av celler på sätt som det inte var möjligt tidigare."

Forskarna säger att tekniken snart borde vara tillgänglig för forskare som forskar på djur, även om det kommer att ta många år till att utveckla metoden för användning på människor.