生物工程师开发天然纳米气泡的蛋白质组装路线图

就水上装备而言，漂浮物不算高科技。但一些微生物在水面上争夺光线时利用微小的气泡作为漂浮装置，这又是另外一回事了。

这种微米大小的气泡被称为气囊(GV)，在一系列生物医学应用中具有巨大潜力，包括成像、传感、细胞操控和追踪等。问题是研究人员还不知道如何在实验室中制造出有医学用途的 GV 品种。

莱斯大学生物工程师现已绘制出路线图，展示了一组蛋白质如何相互作用，形成气泡的纳米薄壳。通过解开 GV 组装过程中发生的一些复杂分子过程，莱斯大学生物工程师 George Lu 及其合成大分子组装实验室的团队现在距离基于这些自然结构解锁强大的新诊断和治疗方法又近了一步。

“GV 本质上是微小的气泡，因此它们可以与超声波一起使用，使我们体内的东西可见，例如癌症或身体的特定部位，”莱斯大学博士后研究员 Manuel Iburg 说道，他是《EMBO 杂志》上发表的一项研究的主要作者。“然而，GV 不能在试管中或装配线上制造，我们也不能从头开始制造它们。”

GV 家族包括一些迄今为止最小的气泡，它们可以存活数月。它们在较长时间内的稳定性主要归功于其蛋白质外壳的特殊结构，该结构对单个水和气体分子均具有渗透性，但内表面具有高度防水性——因此 GV 即使在浸没时也能保持气体。与从外部供应气体的合成纳米气泡不同，GV 可以从周围的液体中吸收气体。

利用 GV 漂浮在更靠近阳光的水生光合细菌具有编码构成这种特殊外壳的蛋白质的特定基因。然而，尽管研究人员知道这些微小气泡的外观，甚至知道它们为什么会聚集在一起，但他们尚未弄清楚促成这些结构组装过程的蛋白质相互作用。如果不了解这些蛋白质构件的工作原理，那么将实验室设计的 GV 应用于医疗应用的计划必须搁置。

为了解决这个问题，研究人员将注意力集中在他们所知道的参与组装过程的一组 11 种蛋白质上，并找到了一种方法来追踪它们中的每一个如何与活体母细胞内的其他蛋白质相互作用。

“我们必须非常仔细，不断检查我们的细胞是否仍在制造 GV，”Iburg 说。“我们了解到的一件事是，一些 GV 蛋白可以很容易地进行修改。”

研究人员利用这一发现在进行测试时添加或减去某些 GV 蛋白，这使他们能够发现某些蛋白质之间的相互作用需要其他蛋白质的帮助才能正确展开。他们还检查了这些单独的相互作用是否在 GV 组装过程中发生变化。

“通过多次这样的排列和迭代，我们创建了一个路线图，展示了所有这些不同的蛋白质如何相互作用才能在细胞内产生GV，”Iburg 说。“我们从实验中了解到，GV 相互作用的路线图非常密集，有许多相互依赖的元素。一些 GV 蛋白形成的子网络似乎在整个过程中发挥较小的作用，一些需要与组装系统的许多其他部分相互作用，一些会随着时间的推移改变它们的相互作用。”

“我们认为 GV 具有巨大潜力，可用于为患者提供新的、快速且舒适的超声诊断，甚至治疗选择，”莱斯大学生物工程学助理教授、德克萨斯州癌症预防与研究研究所 (CPRIT) 学者 Lu 说道。“我们的研究结果还可以帮助研究人员开发 GV，使现有治疗变得更加精确、方便和有效。”