Gas vesicles (GVs) are a unique class of gas-filled protein nanostructures that are detectable at subnanomolar concentrations and whose physical properties allow them to serve as highly sensitive imaging agents for ultrasound and MRI. Here we provide a protocol for isolating GVs from native and heterologous host organisms, functionalizing these nanostructures with moieties for targeting and fluorescence, characterizing their biophysical properties and imaging them using ultrasound and MRI. GVs can be isolated from natural cyanobacterial and haloarchaeal host organisms or from Escherichia coli expressing a heterologous GV gene cluster and purified using buoyancy-assisted techniques. They can then be modified by replacing surface-bound proteins with engineered, heterologously expressed variants or through chemical conjugation, resulting in altered mechanical, surface and targeting properties. Pressurized absorbance spectroscopy is used to characterize their mechanical properties, whereas dynamic light scattering (DLS)and transmission electron microscopy (TEM) are used to determine nanoparticle size and morphology, respectively. GVs can then be imaged with ultrasound in vitro and in vivo using pulse sequences optimized for their detection versus background. They can also be imaged with hyperpolarized xenon MRI using chemical exchange saturation transfer between GV-bound and dissolved xenon-a technique currently implemented in vitro. Taking 3-8 d to prepare, these genetically encodable nanostructures enable multimodal, noninvasive biological imaging with high sensitivity and potential for molecular targeting.

中文翻译：

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生物气泡囊纳米结构的制备，用作超声和MRI的造影剂。

气体囊泡（GV）是一类独特的气体填充蛋白质纳米结构，可在亚纳摩尔浓度下检测到，其物理性质使它们可用作超声和MRI的高度敏感的成像剂。在这里，我们提供了一个从天然和异源宿主生物中分离GV的协议，将这些纳米结构与用于靶向和荧光的部分功能化，表征其生物物理特性，并使用超声和MRI对其进行成像。可以从天然的蓝细菌和卤古细菌宿主生物中分离出GV，也可以从表达异源GV基因簇的大肠杆菌中分离出GV，并使用浮力辅助技术对其进行纯化。然后可以通过用工程改造的，异源表达的变体替代表面结合的蛋白质或通过化学缀合来修饰它们，导致机械，表面和目标特性发生变化。加压吸收光谱用于表征其机械性能，而动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）分别用于确定纳米粒子的大小和形态。然后可以使用针对其相对于背景的检测而优化的脉冲序列在体外和体内对超声进行GV成像。它们也可以使用超极化氙气MRI进行成像，方法是在GV结合的氙和溶解的氙气之间进行化学交换饱和转移，这是目前在体外实施的一种技术。这些可遗传编码的纳米结构需要3到8 d的时间进行准备，可以实现具有高灵敏度和分子靶向潜力的多模式，无创生物成像。加压吸收光谱用于表征其机械性能，而动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）分别用于确定纳米粒子的大小和形态。然后可以使用针对其相对于背景的检测而优化的脉冲序列在体外和体内对超声进行GV成像。它们也可以使用超极化氙气MRI进行成像，方法是在GV结合的氙和溶解的氙气之间进行化学交换饱和转移，这是目前在体外实施的一种技术。这些可遗传编码的纳米结构需要3到8 d的时间进行准备，可以实现具有高灵敏度和分子靶向潜力的多模式，无创生物成像。加压吸收光谱用于表征其机械性能，而动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）分别用于确定纳米粒子的大小和形态。然后可以使用针对其相对于背景的检测而优化的脉冲序列在体外和体内对超声进行GV成像。它们也可以使用超极化氙气MRI进行成像，方法是在GV结合的氙和溶解的氙气之间进行化学交换饱和转移，这是目前在体外实施的一种技术。这些可遗传编码的纳米结构需要3到8 d的时间进行准备，可以实现具有高灵敏度和分子靶向潜力的多模式，无创生物成像。动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）分别用于确定纳米粒子的大小和形态。然后可以使用针对其相对于背景的检测而优化的脉冲序列在体外和体内对GV进行成像。它们也可以使用超极化氙气MRI进行成像，方法是在GV结合的氙和溶解的氙气之间进行化学交换饱和转移，这是目前在体外实施的一种技术。这些可遗传编码的纳米结构需要3到8 d的时间进行准备，可以实现具有高灵敏度和分子靶向潜力的多模式，无创生物成像。动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）分别用于确定纳米粒子的大小和形态。然后可以使用针对其相对于背景的检测而优化的脉冲序列在体外和体内对超声进行GV成像。它们也可以使用超极化氙气MRI进行成像，方法是在GV结合的氙和溶解的氙气之间进行化学交换饱和转移，这是目前在体外实施的一种技术。这些可遗传编码的纳米结构需要3到8 d的时间进行准备，可以实现具有高灵敏度和分子靶向潜力的多模式，无创生物成像。它们也可以使用超极化氙气MRI进行成像，方法是在GV结合的氙和溶解的氙气之间进行化学交换饱和转移，这是目前在体外实施的一种技术。这些可遗传编码的纳米结构需要3到8 d的时间进行准备，可以实现具有高灵敏度和分子靶向潜力的多模式，无创生物成像。它们也可以使用超极化氙气MRI进行成像，方法是在GV结合的氙和溶解的氙气之间进行化学交换饱和转移，这是目前在体外实施的技术。这些可遗传编码的纳米结构需要3到8 d的时间进行准备，可以实现具有高灵敏度和分子靶向潜力的多模式，无创生物成像。