Nel film di fantascienza del 1966 Viaggio fantastico, un sottomarino viene rimpicciolito e iniettato nel corpo di uno scienziato per riparare un coagulo di sangue nel suo cervello. Anche se il film potrebbe essere ancora finzione, ricercatori del Caltech stanno facendo passi da gigante in questa direzione:hanno, per la prima volta, cellule batteriche create con la capacità di riflettere le onde sonore, ricorda il modo in cui i sottomarini riflettono il sonar per rivelare le loro posizioni.

L'obiettivo finale è essere in grado di iniettare batteri terapeutici nel corpo di un paziente, ad esempio, come probiotici per aiutare a curare le malattie dell'intestino o come trattamenti mirati per i tumori, quindi utilizzare macchine a ultrasuoni per colpire i batteri ingegnerizzati con onde sonore per generare immagini che rivelano la posizione dei microbi. Le immagini avrebbero fatto sapere ai medici se i trattamenti sono arrivati ​​nel posto giusto nel corpo e hanno funzionato correttamente.

"Stiamo ingegnerizzando le cellule batteriche in modo che possano rimandare le onde sonore verso di noi e farci sapere la loro posizione nel modo in cui una nave o un sottomarino disperdono il sonar quando un'altra nave lo sta cercando, "dice Mikhail Shapiro, professore assistente di ingegneria chimica, Scholar Schlinger, e ricercatore del Heritage Medical Research Institute. "Vogliamo poter chiedere ai batteri, "Dove sei e come stai?" Il primo passo è imparare a visualizzare e localizzare le cellule, e il passo successivo è comunicare con loro."

I risultati saranno pubblicati nel numero del 4 gennaio della rivista Natura . L'autore principale è Raymond Bourdeau, un ex borsista postdottorato nel laboratorio di Shapiro.

L'idea di usare i batteri come medicina non è nuova. I probiotici sono stati sviluppati per trattare le condizioni dell'intestino, come la malattia dell'intestino irritabile, e alcuni primi studi hanno dimostrato che i batteri possono essere utilizzati per colpire e distruggere le cellule tumorali. Ma visualizzare queste cellule batteriche e comunicare con loro, sia per raccogliere informazioni su ciò che sta accadendo nel corpo sia per dare ai batteri istruzioni su cosa fare dopo, non è ancora possibile. Le tecniche di imaging che si basano sulla luce, come scattare foto di cellule contrassegnate da un "gene reporter" che codifica per la proteina fluorescente verde, funzionano solo in campioni di tessuto rimossi dal corpo. Questo perché la luce non può penetrare nei tessuti più profondi come l'intestino, dove risiederebbero le cellule batteriche.

Shapiro vuole risolvere questo problema con le tecniche ad ultrasuoni perché le onde sonore possono viaggiare più in profondità nei corpi. Dice di aver avuto un momento di eureka circa sei anni fa quando ha appreso delle strutture proteiche piene di gas nei batteri che vivono nell'acqua che aiutano a regolare la galleggiabilità degli organismi. Shapiro ipotizzò che queste strutture, chiamate vescicole gassose, potrebbe far rimbalzare le onde sonore in modi che le rendono distinguibili da altri tipi di cellule. Infatti, Shapiro e i suoi colleghi hanno dimostrato che le vescicole di gas possono essere riprese con gli ultrasuoni nelle viscere e in altri tessuti dei topi.

Il prossimo obiettivo del team era trasferire i geni per produrre vescicole di gas dai batteri che vivono nell'acqua in un diverso tipo di batteri:Escherichia coli, che è comunemente usato nelle terapie microbiche, come i probiotici.

"Volevamo insegnare al E. coli batteri per produrre le vescicole di gas stesse, "dice Shapiro. "Volevo farlo sin da quando abbiamo realizzato il potenziale delle vescicole di gas, ma abbiamo incontrato alcuni blocchi stradali lungo la strada. Quando finalmente riusciamo a far funzionare il sistema, eravamo estasiati".

Una delle sfide affrontate dal team riguardava il trasferimento del macchinario genetico per le vescicole di gas in E. coli . Per prima cosa hanno cercato di trasferire i geni delle vescicole gassose isolati da un batterio che vive nell'acqua chiamato Anabaena flos-aquae, ma questo non ha funzionato—il E. coli non è riuscito a produrre le vescicole. Hanno provato di nuovo usando i geni delle vescicole gassose di un parente più stretto di E. coli , un batterio chiamato Bacillus megaterium. Neanche questo è riuscito, perché le vescicole di gas risultanti erano troppo piccole per disperdere efficacemente le onde sonore. Finalmente, il team ha provato un mix di geni di entrambe le specie e ha funzionato. Il E. coli fatto vescicole di gas da soli.

I geni delle vescicole gassose codificano per proteine ​​che agiscono come mattoni o gru nella costruzione della struttura finale della vescicola:alcune proteine ​​sono i mattoni delle vescicole mentre altre aiutano a assemblare effettivamente le strutture. "Essenzialmente, abbiamo capito che abbiamo bisogno dei mattoni di Anabaena flos-aquae e delle gru di Bacillus megaterium per E. coli essere in grado di produrre vescicole di gas, "dice Bourdeau.

Esperimenti successivi del team hanno dimostrato che l'engineered E. coli potrebbe infatti essere ripreso e localizzato all'interno delle viscere dei topi utilizzando gli ultrasuoni.

"Questo è il primo gene reporter acustico da utilizzare nell'imaging a ultrasuoni, ", afferma Shapiro. "Speriamo che alla fine possa fare per gli ultrasuoni ciò che la proteina fluorescente verde ha fatto per le tecniche di imaging basate sulla luce, che è quello di rivoluzionare davvero l'imaging delle cellule in modi che prima non erano possibili".

I ricercatori affermano che la tecnologia dovrebbe essere presto disponibile per gli scienziati che fanno ricerca sugli animali, anche se ci vorranno molti altri anni per sviluppare il metodo per l'uso nell'uomo.