利用组合策略挖掘声学纳米结构生物合成基因簇

为解决天然气囊肿泡（GVs）因形状和大小限制难以被临床超声设备成像的问题，研究人员在大肠杆菌中构建沙雷氏菌 ATCC 39006 结构基因簇与巨大芽孢杆菌辅助基因簇的杂交基因簇，合成新型 GVs（ARGS1~B），其可稳定产生且能被超声成像，点饱和突变可调控粒径，为 GVs 应用提供新方向。

　　

超声成像作为医学领域的重要工具，在疾病诊断与治疗评估中应用广泛。超声对比剂通过增强空化效应，进一步拓展了其在溶栓、靶向药物递送及高强度聚焦超声（HIFU）等领域的应用。气囊肿泡（Gas Vesicles, GVs）是微生物产生的一种充满气体的蛋白质纳米结构，由两亲性蛋白壳（主要由结构蛋白 GvpA 和 GvpC 编码）构成，可产生声学信号，有望作为声学报告基因或超声成像探针。然而，天然 GVs 的大小和形状固定（宽度 45—250 nm，长度 100—800 nm），多数难以被临床超声设备成像，且异源表达 GVs 合成基因簇困难，导致其多样性稀缺，严重限制了在生物医学领域的应用。

为突破这些瓶颈，中山大学生命科学学院、中国科学院深圳先进技术研究院等国内研究机构的研究人员开展了相关研究。他们利用组合生物合成策略，在大肠杆菌中构建了沙雷氏菌（Serratia sp.）ATCC 39006 的结构基因簇与巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）的辅助基因簇的杂交基因簇，成功合成了一种新型基因编码的气囊肿泡 ——ARG_S1~B。该研究成果发表在《Advanced Biotechnology》。

研究中用到的主要关键技术方法包括：基因簇模块化表达，将来自不同微生物的结构基因和辅助基因在 T7 启动子控制下进行组合克隆表达；透射电子显微镜（TEM）观察 GVs 的存在与形态；动态光散射（DLS）测量 GVs 的流体力学直径；体外和体内超声成像评估 ARG_S1~B的声学性能；点饱和突变技术改造 GVs 的粒径。

3.1 基因簇杂交挖掘新型 GVs

研究人员选取来自蓝藻、芽孢杆菌、古菌等的 6 个 GVs 合成基因簇，将其分为结构基因和辅助基因两类，通过组合获得 30 种基因簇组合。经筛选发现，沙雷氏菌 ATCC 39006 结构基因与巨大芽孢杆菌辅助基因的组合（ARG_S1~B）可在大肠杆菌中稳定表达 GVs。优化发酵条件（37℃培养 3 天）后，GVs 产量显著提高。

3.2 ARG_S1~B的纳米颗粒表征

透射电子显微镜显示，ARG_S1~B呈球形，平均长度 95.50±30.96 nm，宽度 68.75±17.83 nm，小于已知的 ARG1（双锥形，长度 176.50±42.59 nm，宽度 88.72±13.57 nm）。动态光散射测得 ARG_S1~B流体力学直径为 106.90±8.91 nm，表面带负电荷，稳定性与 ARG1 相近。

3.3 声学活性验证

体外超声成像显示，ARG_S1~B在琼脂糖体模中可产生显著的声学对比信号，且在高压下可发生坍塌，与 ARG1 表现相似。体内实验中，尾静脉注射 ARG_S1~B后，小鼠肝脏在注射 10 秒时超声信号达到峰值，虽成像能力略弱于 ARG1，但证实了其体内超声成像潜力。

3.4 基因工程改造 GVs 粒径

通过序列比对和结构预测，研究人员发现 GvpA 蛋白的第 49 位氨基酸（I49）是影响 GVs 粒径的关键位点。点饱和突变实验表明，I49V 和 I49L 突变可使 GVs 宽度降至约 47 nm，长度约 66 nm，证实通过基因工程可调控 GVs 的大小和形状，为 GVs 的功能优化提供了新途径。

研究通过组合生物合成策略成功开发了新型气囊肿泡 ARG_S1~B，其兼具稳定的超声成像性能和可调控的粒径特征。点饱和突变技术进一步拓展了 GVs 的尺寸多样性，为解决天然 GVs 应用受限的问题提供了有效方案。该研究不仅丰富了超声对比剂的资源，还为 GVs 的分子机制研究和基因工程改造提供了新思路，有望推动超声成像在疾病诊断与治疗领域的进一步发展，特别是在靶向药物递送和肿瘤治疗等方面具有广阔的应用前景。