مهندسی باکتری‌ها برای داشتن مشخصه‌‌ی فراصوت

باکتری‌ها به طور ژنتیکی مهندسی می‌شوند تا با تولید سیگنال‌های فراصوت متمایز، بالقوه برای تصویربرداری پزشکی مفید باشند. معمولاً در باکتری‌های آبزی، بسته‌هایی پوشیده با پروتئین معروف به حوضچه‌های گاز (gas vesicles) وجود دارد که باعث شناوری آن‌ها می‌شود. اما گروهی از زیست-فیزیکدان‌ها به سرپرستی میخائیل شاپیرو Mikhail Shapiro در موسسه فناوری کالیفرنیا ژنی را ایجاد کرده‌اند که موجب می‌شود این حوضچه‌ها در باکتری‌های دیگر هم ظاهر شوند.

باکتری‌های بادکرده: شمایی از حوضچه‌های گاز

تیم شاپیرو نشان داد که پالس‌هایی از امواج فراصوت که از باکتری‌های تغییریافته بگذرند، چطور در الگوهای ویژه‌ای پراکنده شده و به صورت انعکاس صدا (echo) در آشکارسازهای فراصوت قابل تشخیص هستند. این پراکندگی به علت تفاوت چگالی بین حوضچه‌ها و محیط اطرافشان است. اما بالاتر از حدمعینی از فشار پالس، حوضچه‌ها از بین می‌روند. به این معنا که امواج فراصوت بدون دست‌خوردگی از باکتری می‌گذرند. این نابودی، سیگنال‌های دریافتی را ناگهان تغییر می‌دهد.

تصویر‌بردا‌رهای غیرتهاجمی 

تیم شاپیرو متوجه شد که با از بین رفتن حوضچه‌ها، باقیمانده سیگنال‌های دریافتی را می‌توان به صورت نوفه‌ی پس زمینه در نظر گرفت و آن‌ها را از سیگنال پراکنده شده کم کرد تا به تصاویری با وضوح بالا از محل استقرار باکتری‌ها رسید. این مشاهده‌ی مهمی بود زیرا به مفهوم آن است که باکتری‌های حامل ژن واکنش‌دهنده‌ی آکوستیکی را می‌توان به عنوان تصویر‌بردارهای پزشکی غیرتهاجمی به کار برد.

در حال حاضر از باکتری‌های لومینسانس و ایزوتوپ‌های رادیواکتیو برای تصویربرداری از داخل بدن استفاده می‌شود. اما این روش‌ها اغلب یا برای بدن مضر هستند یا نمی‌توانند از نواحی عمقی زیر پوست تصویربرداری کنند. باکتری‌های تحقیق شاپیرو اجازه‌ی تصویربرداری از عمق روده  و حتی درون تومورها را می‌دهد. با این روش می‌توان تصاویر بسیار دقیقی از اندام‌های داخلی با تفکیک فضایی به کوچکی ۱۰۰ μmتهیه کرد.

پاسخ‌های دقیق

شاپیرو و همکارانش در تحقیق دیگری ژنتیک باکتری‌ها را باز هم دستکاری کردند تا حوضچه‌هایی به دست بیاورند که سیگنال‌های پراکندگی متفاوتی ایجاد کند و در فشار پالس متفاوتی از بین برود. با استفاده از چند نوع مختلف از این باکتری‌ها به عنوان تصویربردار، تصاویر زیستی پچیده‌تری می‌توان ساخت. اکنون آن‌ها امیدوارند با تنظیم دقیق پاسخ آکوستیکی ژن، تنوع قابلیت‌های فراصوت باکتری‌های خود را از این هم فراتر ببرند.

این روش جدید در Nature توصیف شده است.

منبع: Bacteria engineered to have ultrasound signature

انجمن فیزیک ایران