本文档属于类型a，即报告了一项原创研究。以下是针对该研究的学术报告：
本研究的主要作者包括Raymond W. Bourdeau、Audrey Lee-Gosselin、Anupama Lakshmanan、Arash Farhadi、Sripriya Ravindra Kumar、Suchita P. Nety和Mikhail G. Shapiro。研究团队来自加州理工学院（California Institute of Technology）的化学与化学工程学部以及生物学与生物工程学部。该研究于2018年1月3日发表在《Nature》期刊上。
本研究的科学领域为微生物工程与生物医学成像，特别是针对哺乳动物宿主体内微生物的非侵入性成像技术。哺乳动物微生物组在健康和疾病中扮演着重要角色，而基因工程技术的发展为微生物治疗和诊断提供了新的可能性。然而，现有的成像方法（主要基于光学报告基因）由于光散射问题在深层组织中的表现有限，或需要放射性示踪剂。因此，研究团队提出了“声学报告基因”（acoustic reporter genes, ARGs），这是一种通过超声波实现微生物基因表达可视化的遗传构建体。超声波技术具有深层组织穿透性和高空间分辨率，且成本低廉、广泛可用。
研究的主要目标是开发一种基于气体囊泡（gas vesicles, GVs）的声学报告基因系统，用于在哺乳动物宿主体内非侵入性地成像微生物，并验证其在胃肠道和肿瘤定位中的应用潜力。此外，研究还旨在开发具有不同声学特性的报告基因，以实现细胞群体的多重成像。
研究流程分为以下几个主要步骤：
基因构建与表达
研究团队从Bacillus megaterium和Anabaena flos-aquae中提取了气体囊泡基因簇，并将其改造为适用于大肠杆菌（E. coli）和鼠伤寒沙门氏菌（S. typhimurium）的表达系统。通过基因工程优化，研究团队构建了两种声学报告基因ARG1和ARG2，分别具有不同的气体囊泡结构和声学特性。
体外超声波成像实验
研究团队在体外培养表达ARG1和ARG2的E. coli，并通过超声波成像验证其声学信号。实验包括对细胞浓度系列进行成像，以确定检测限，并验证ARGs在化学诱导剂IPTG调控下的动态表达。
体内成像实验
研究团队在小鼠模型中进行了胃肠道和肿瘤的超声波成像实验。通过将表达ARG1的益生菌E. coli Nissle 1917引入小鼠结肠，验证了超声波成像在深层组织中的可行性。此外，研究团队还在肿瘤模型中成像了表达ARG1的S. typhimurium，展示了ARGs在肿瘤定位中的应用潜力。
多重成像技术开发
研究团队通过基因工程改造，开发了具有不同崩溃压力的气体囊泡变体，实现了对ARG1和ARG2表达细胞的多重超声波成像。
细胞生长与代谢负担评估
研究团队评估了ARGs表达对宿主细胞生长和代谢的影响，并通过实验验证了超声波暴露对细胞存活率的影响。
高通量筛选技术开发
研究团队开发了一种基于超声波的菌落高通量筛选技术，用于快速鉴定具有不同声学表型的菌落。
基因构建与表达
研究团队成功构建了ARG1和ARG2，并验证了其在E. coli和S. typhimurium中的表达。ARG1表达的气体囊泡具有较大的尺寸和较强的声学散射特性，而ARG2通过基因改造实现了较低的崩溃压力。
体外超声波成像
实验表明，表达ARG1的E. coli在低至5×10^7 cells/mL的浓度下仍可被检测到，且其声学信号与IPTG诱导的基因表达呈剂量依赖性。
体内成像
在小鼠模型中，超声波成像成功定位了结肠中的ARG1表达细胞，并显示了其在肿瘤中的分布。与生物发光成像相比，超声波成像在空间定位上具有明显优势。
多重成像
通过不同崩溃压力的气体囊泡变体，研究团队实现了对ARG1和ARG2表达细胞的多重超声波成像。
细胞生长与代谢负担
ARGs表达对宿主细胞的生长和存活率无明显影响，且超声波暴露不会导致细胞损伤。
高通量筛选
研究团队开发的超声波菌落筛选技术能够准确区分具有不同声学表型的菌落，为声学蛋白工程的高通量筛选提供了新方法。
本研究首次将气体囊泡基因簇开发为超声波报告基因，为非侵入性成像技术提供了新的工具。ARGs能够在深层组织中可视化基因工程微生物，为研究哺乳动物微生物组和开发微生物治疗与诊断技术提供了重要支持。此外，研究团队开发的多重成像技术和高通量筛选方法为未来声学报告基因的优化和应用奠定了基础。
创新性
本研究首次将气体囊泡基因簇应用于超声波成像，开创了非侵入性微生物成像的新领域。
多重成像技术
通过基因工程改造，研究团队实现了对多个细胞群体的超声波多重成像，为复杂生物系统的研究提供了新工具。
高通量筛选技术
研究团队开发的超声波菌落筛选技术为声学蛋白工程的高通量筛选提供了高效、准确的方法。
应用潜力
ARGs在胃肠道和肿瘤成像中的应用展示了其在生物医学研究和临床诊断中的广阔前景。
研究团队还详细讨论了ARGs在哺乳动物细胞中表达的潜在挑战，并提出了未来研究的方向，包括进一步优化ARGs的稳定性和宿主负担，以及将其扩展到更多微生物物种中。
以上是对该研究的全面报告，旨在为中文读者提供详细的研究背景、方法、结果和意义。