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如今，许多可交互对象都建立在程序之上，这些程序的设计往往带有明确的目的。我们通常认为有生命的东西不在这个范畴内，但越来越多的科学家正对活细胞甚至整个生物体进行编程和设计。
这个研究领域被称为合成生物学，其中一个研究方向就是基因编辑出能受人指挥和控制的细胞大军：用于寻找患病组织的“受训细胞”、用于探查环境的“武装细胞”、能够攻击其他细胞的“刺客细胞”。
听起来很酷，对吗？但实际上，基因编辑的针对性和准确性并没有那么强。
“基因编辑仍有一定局限性，暂时不能赋予细胞们真正的空间意识，它们并不知道自己在人体中身处何处——是在肿瘤中？肝脏中？还是在胰腺或是大脑中？它们可能会根据分子线索来找到答案，但并没有像GPS一样的系统直接告诉它们是否身处执行任务的正确位置。”美国加州理工学院（Caltech）化工教授米哈伊尔·夏皮罗（Mikhail Shapiro）说道，他的实验室最近利用气泡解决了这一问题。
在编程细胞以创建微小的气囊（gas vesicle）结构上，他们的实验室已经进行了大量工作。气囊本质上是漂浮在细胞内的小气泡，被一层坚硬的蛋白质外壳包裹着，就像是纳米级的乒乓球。
“它们的起源十分有趣。在演化历程中，气囊是令光合微生物能够漂浮在水上的结构，这些生活在水中的微生物需要浮出水面才能获得充足的阳光。”
夏皮罗和他的团队此前就已能为哺乳动物细胞或其他细菌插入制造气囊的基因，他们当时这样做是为了把气囊用作成像工具。他们的灵感来自水母——准确来讲，来自绿色荧光蛋白（GFP）。GFP的一项用途是通过基因编码附着在天然蛋白质上，这能帮助科学家跟踪看到活体细胞或动物体内的蛋白质，并追踪它们。
将GFP作为示踪剂彻底改变了显微成像的游戏规则，GFP的发现和研发也因此获得了2008年的诺贝尔奖。
“这让我们对探寻一种类似于荧光蛋白的新物质开始着迷——它类似荧光蛋白，但它并不与光，而是与声波产生相互作用。这样一来，我们就能用超声波对其成像。遇到材料密度或刚性与周围环境不同时，声波会发生散射或反射，而空气的密度和刚性特征与生物组织和水这样的环境相比，有着很大的差别。”
而最近他们有了新的想法——或许这些气体囊泡可以有其他用法，例如，用超声波有意将其引爆。“我们只要稍稍加强超声波，就会像大力击打乒乓球一样让气囊破裂开来。”与此同时，其中的气体会释出，在细胞内形成一个气泡。气泡本不会变化，但在持续作用的超声波下，它会不断膨胀收缩。“随着时间的推移，一些气泡会聚集在一起形成更大的气泡，直到气泡大到能在超声波的作用下发生强烈的内爆。”
附着在聚酯薄膜板上气囊的高帧率影像，拍摄速度为每秒500万帧（视频已经过显着慢放处理）。图片来源：Avinoam Bar-Zion
他们首先单独对气囊施加超声波：从细胞中取出一堆气囊（气囊都漂浮在最上层，所以很容易取出），然后用超声波轰击。果不其然，他们从超声波麦克风采集到的音频中听到了气囊爆裂的声音。“我们施加的是超声波，人耳无法听到，但它的频谱看起来像是宽频带的噪声，就像是你打开电视时出现的——” [白噪声]
“如果它在声波范围内，你应该就能听到了。”
他们还想亲眼看到这个过程。“所以我们从学校的航空系借来了一台每秒500万帧的摄像机，连接到了显微镜上……”这听起来有点过了，但其实恰到好处。他们果然看到了气囊破裂形成气泡、气泡又在随后破裂的过程，而这一切都发生在几微秒之中。
接下来，他们想尝试实际应用这些气囊。他们为此制造了表面具有可与癌细胞结合的蛋白质的气囊，并在培养皿中将它们与癌细胞混合，再用超声波轰击。
结果很成功。“就好像是你在对癌细胞拳打脚踢，这些气泡的膨胀和收缩会在局部产生冲击，发出冲击波。这非常酷，我们实际上把‘人畜无害’的小小显像剂变成了小炸弹，安在癌细胞上然后引爆。我们还在想，要是能让细胞变成炸弹后进入人体，潜入肿瘤组织，那就更酷了。”
附着在癌细胞上气囊的高帧率影像，拍摄速度为每秒500万帧（视频已经过显着慢放处理）。图片来源：Avinoam Bar-Zion
于是，他们用基因编辑过的细菌重复了相同的实验，这些细菌不仅能够产生气囊，还可以导向肿瘤。在培养皿中，实验成功了。
他们的下一步计划是在动物体内进行测试。由于超声波能够定位到体内特定的精确位置，气囊的超声波特性体现出了真正的价值，这基本上解决了前文所说“缺乏GPS定位”的问题。
将一些细菌注射到患有肿瘤的小鼠血液中后，他们看到“细菌细胞去到了全身的不同部位。在大部分区域，它们会被免疫系统清除，但在肿瘤的核心区域不会，因为这是一个免疫抑制的环境。”他们正是利用癌症的这一关键特性，进行了针对性的改良。
“妙就妙在，气囊既可以作为显像剂，也能作为治疗剂。通过超声成像，我们看到细胞在肿瘤之中，确认了我们的小治疗剂已经抵达肿瘤中心，并在那里建立了一个小型‘殖民地’。”然后他们将超声波对准肿瘤。这一过程还结合了一类能让免疫细胞发现并杀死癌细胞的抗癌药物——免疫检查点抑制剂（immune checkpoint inhibitors），结果发现，同时接受细菌和超声波治疗的小鼠寿命是仅接受抗癌新药治疗小鼠的两倍。
这可能只是这些小小“细菌追踪导弹”的一个开始，更大的潜力仍待探索。它们或许也能在其他疾病的治疗上发挥作用，你可以利用细菌携带药物等载荷，将其运抵特定位置后炸裂并释放。
“这是自然母亲赠予我们一份珍贵礼物。实际上，细菌内的气囊早在一百多年前就被发现了：第一个注意到这一点的论文发表于1895年。”
我真的觉得这是个很有意思的故事：从几十亿年的演化历程，到一百多年来的基础生物学家，都在围绕它们兜兜转转，而这些蛋白质如今获得了全新的生命。
翻译：武大可
审校：王昱
引进来源：科学美国人
本文来自：中国数字科技馆
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