摘要：而在“中空蛋白結構”組，超聲成像清楚地看到，只有腫瘤最外面一層有着報導基因（reporter gene）的表達。這種系統能夠在顯微鏡下，讓我們看清組織中哪些細胞有着特定的基因表達，甚至能讓我們在一個個細胞裏看清相應蛋白的位置。

來源：學術經緯

今日，最新一期《科學》雜誌上報道了一篇值得關注的論文。加州理工學院的一支團隊開發出了一套全新的超聲成像系統。它能夠在活體動物中，讓科學家們親眼看到基因的表達。儘管這項技術目前還較爲初步，但可以想象，一旦發展成熟，它將能給多種疾病的檢測帶來突破。

事實上，過去的科學家們早已開發出了許多檢測基因表達的方法。其中最爲知名的，或許就是綠色熒光蛋白（GFP）系統了。這種系統能夠在顯微鏡下，讓我們看清組織中哪些細胞有着特定的基因表達，甚至能讓我們在一個個細胞裏看清相應蛋白的位置。爲此，開發出這套系統的科學家們也在2008年分享了諾貝爾化學獎的殊榮。

但GFP系統也有一個很大的侷限，那就是“光”。在培養皿中，光可以透過薄薄的幾層細胞，激發出綠色熒光。但如果要把這套系統搬運到大型活體動物體內，就很容易行不通——它們的器官和組織太厚了，光穿透不進去。

▲因爲發現並開發了GFP系統，三名科學家斬獲了2008年的諾貝爾化學獎（圖片來源：諾獎官網截圖）

那麼有什麼方法能夠在大型活體動物中實時觀察基因表達嗎？科學家們的選擇是“超聲成像”。說到超聲成像，大家都不會陌生。在檢查心臟的缺陷，或是檢查胎兒的發育時，醫生們都會用到這種非常成熟的技術。它的好處就是能穿透厚厚的器官和組織。

下一個問題，就是怎麼用超聲波看到特定的細胞了。科學家們從一些水生微生物中得到了靈感：這些微生物會在體內形成一類特殊的蛋白結構，它們就像是氣球一樣，中間充滿了空氣。對水生微生物而言，這種蛋白結構能給它們提供浮力。而在科學家的眼中，由於結構中的空氣與細胞中的水分在性質上具有天壤之別，這種蛋白結構足以提供超聲成像所需的分辨率。

接下來，他們還有一個技術難題需要解決——怎麼把這些中空的蛋白結構弄到哺乳動物細胞裏頭去。這可不是一個簡單的問題。表達這些蛋白結構的微生物都屬於原核生物，而哺乳動物屬於真核生物，兩者的基因調控方式非常不一樣。而且，這種蛋白結構需要很多條不同基因的參與，把這些基因同時挪到哺乳動物細胞裏，同樣不簡單。

在合成生物學技術的幫助下，研究團隊終於把所需的多條基因轉入了哺乳動物細胞系，並讓它們穩定表達。功夫不負有心人。經過檢驗，這些細胞也終於能夠形成類似的中空蛋白結構。

▲合成生物學的突破，終於讓哺乳動物細胞也能合成這種中空的蛋白結構（圖片來源：參考資料[1]）

接下來，就是檢驗這些結構能否真的協助超聲成像了。研究人員們做了一組對照：在一部分癌細胞中，他們引入了這種中空蛋白結構；在另一部分癌細胞中，他們使用的還是傳統的熒光蛋白。隨後，這些癌細胞被分別注射到小鼠的左右兩側，誘導生成腫瘤。

在幾天的誘導表達後，研究人員們清楚地看到了兩種系統之間的區別。限於組織的穿透性，在“熒光蛋白”組，我們只能看到“一坨”熒光，看不清太多細節。而在“中空蛋白結構”組，超聲成像清楚地看到，只有腫瘤最外面一層有着報導基因（reporter gene）的表達。後續的組織學檢測，也證實了超聲成像的準確性。

▲只有腫瘤最外面一層纔有報導基因的表達（圖片來源：參考資料[1]）

可以想象，如果這套系統能得到後續的應用與開發，我們就能對活體動物裏的基因表達進行更好的研究與探索。這也正是爲何許多科學家們對其表示出濃厚興趣的原因。“它能帶來觀察基因調控的全新方式”，一名沒有參與本研究的科學家說到。

另一些科學家指出，這套系統對基因編輯能力有着很高的要求。想讓它得到更廣泛的應用，我們還需要進一步降低使用的門檻。