一项革命性的技术已经使我们有能力在不伤害哺乳动物宿主的情况下，深入其体内，以三维视角清晰地观察那些微小却至关重要的微生物。这项技术的核心是一种被称为“声学报告基因”的神奇遗传工具，它赋予了微生物对超声波的响应能力，让它们在超声成像下如同点亮的灯塔，揭示了自身在复杂生物环境中的确切位置。这项突破由美国加州理工学院Mikhail G. Shapiro教授带领的研究团队实现，并于2018年1月4日发表在《自然》杂志上。

声学报告基因：微生物的声波标识

传统的光学成像方法，如荧光显微镜，虽然在实验室环境下能出色地追踪细胞，但在活体组织深处，光线会迅速衰减，限制了其穿透力和分辨率。相比之下，超声波因其卓越的深部穿透能力和高空间分辨率，成为医学影像领域的主力军。然而，自然界的大多数微生物并不具备与超声波相互作用的特性。为解决这一问题，Shapiro团队借鉴了一种独特的自然界现象——气泡状蛋白纳米结构（即气体囊泡）。

气体囊泡广泛存在于一些水生光合生物中，它们如同微型潜水艇，通过调整内部气体含量来调节浮力。研究者巧妙地将编码气体囊泡的基因簇移植到常见的肠道菌如大肠杆菌和沙门氏菌中，使这些细菌如同装备了声波发射器，能够在超声波扫描下发出独特的回声信号。这些“声学报告基因”使细菌在低至万分之一体积密度的情况下，依然能在小于100微米的分辨率下被精准识别。

活体实验验证与潜在应用

科学家们已成功运用这一技术，在活体动物模型中实现了对肠道及肿瘤内工程菌定位的可视化。他们分别将携带不同声学报告基因的细菌注射到实验鼠体内，通过超声成像，不仅区分出不同类型的细菌群体，还跟踪了它们在复杂生理环境中的分布与迁移。这一成就为研究哺乳动物微生物组与健康和疾病的关系开辟了前所未有的途径。

此外，研究者还展示了声学报告基因在高通量筛选和优化方面的潜力。他们设计了具有不同声学特征的报告基因，使得同时监测多种微生物群体成为可能，就像为每种菌株打上了独特的声波标签，大大增强了多组分微生物群落研究的精细度和效率。

未来展望与技术革新

尽管目前的研究已取得了显著成果，但Shapiro团队并未止步于此。他们计划进一步开发先进的超声技术以更灵敏地捕捉和解析声学报告基因产生的信号，同时优化基因构造以降低对宿主的影响，并将这一技术拓展到更多种类的微生物中。长远来看，他们设想将声学报告基因应用于哺乳动物细胞，这将极大地拓宽超声成像在细胞疗法和基础生物学研究中的应用范围。

综上所述，Shapiro教授团队开创的声学报告基因技术，犹如在黑暗的生物体内点亮了一盏盏声波“探照灯”，为科学家们提供了一种无创且高分辨率的方法，来实时、立体地观测微生物在活体环境中的行为与功能。这一技术的广泛应用，有望揭开微生物世界更多的秘密，助力精准医疗、微生物疗法及生物技术的发展，为我们理解生命系统的复杂性和驾驭微生物力量带来全新的视野和工具。https://www.nature.com/articles/nature25021