Wkraczając w nowy rozdział zaawansowanych technologicznie czujników biologicznych, naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego i ich koledzy z Australii stworzyli bakterie, które mogą wykrywać obecność nowotworowego DNA w żywym organizmie.
Ich innowacja, która wykryła raka w okrężnicy myszy, może utorować drogę nowym biosensorom zdolnym do identyfikowania różnych infekcji, nowotworów i innych chorób.
Postęp został opisany 11 sierpnia 2023 r. w czasopiśmie Science. Bakterie zostały wcześniej zaprojektowane do pełnienia różnych funkcji diagnostycznych i terapeutycznych, ale brakowało im zdolności do identyfikowania określonych sekwencji DNA i mutacji poza komórkami. Nowy „Cellular Assay for Targeted CRISPR-discriminated Horizontal gen transfer” lub „CATCH” został zaprojektowany właśnie w tym celu.
„Kiedy zaczynaliśmy ten projekt cztery lata temu, nie byliśmy nawet pewni, czy użycie bakterii jako czujnika DNA ssaków jest w ogóle możliwe” – powiedział lider zespołu naukowego Jeff Hasty, profesor w UC San Diego School of Biological Sciences i Szkoła Inżynierska Jacobsa. „Wykrywanie nowotworów przewodu pokarmowego i zmian przedrakowych jest atrakcyjną możliwością zastosowania tego wynalazku w praktyce klinicznej”.
Wiadomo, że nowotwory rozpraszają lub zrzucają swoje DNA do otaczającego je środowiska. Wiele technologii może analizować oczyszczone DNA w laboratorium, ale nie mogą one wykryć DNA w miejscu jego uwolnienia. W ramach strategii CATCH naukowcy zmodyfikowali bakterie przy użyciu technologii CRISPR, aby przetestować swobodnie poruszające się sekwencje DNA na poziomie genomowym i porównać te próbki z wcześniej określonymi sekwencjami nowotworowymi.
„Wiele bakterii może pobierać DNA ze swojego środowiska, umiejętność znana jako naturalna kompetencja” – powiedział Rob Cooper, współautor badania i naukowiec z Instytutu Biologii Syntetycznej Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. Hasty, Cooper i australijski lekarz Dan Worthley współpracowali nad ideą naturalnej kompetencji w odniesieniu do bakterii i raka jelita grubego, trzeciej najczęstszej przyczyny zgonów związanych z rakiem w Stanach Zjednoczonych.
Zaczęli formułować możliwość inżynierii bakteryjnej, która jest już powszechna w jelicie grubym, jako nowych bioczujników, które można by rozmieścić w jelicie w celu wykrywania DNA uwalnianego z guzów jelita grubego. Skupili się na Acinetobacter baylyi, bakterii, w której Cooper zidentyfikował elementy niezbędne zarówno do pobrania DNA, jak i użycia CRISPR do jego analizy.
„Wiedząc, że DNA pozakomórkowe może zostać zmobilizowane jako sygnał lub dane wejściowe, postanowiliśmy opracować bakterie, które reagowałyby na DNA guza w czasie i miejscu wykrycia choroby” – powiedział Worthley, gastroenterolog i badacz raka z Klinika kolonoskopii w Brisbane w Australii.
We współpracy z australijskimi współpracownikami, Susan Woods i Josephine Wright, naukowcy zaprojektowali, zbudowali i przetestowali Acinetobacter baylyi jako czujnik do identyfikacji DNA KRAS, genu zmutowanego w wielu nowotworach. Zaprogramowali bakterię za pomocą systemu CRISPR zaprojektowanego do odróżnienia zmutowanych od normalnych (niezmutowanych) kopii KRAS. Oznacza to, że tylko bakterie, które przyjęły zmutowane formy KRAS, takie jak na przykład w polipach przedrakowych i nowotworach, przeżyłyby, aby zasygnalizować lub zareagować na chorobę.
Nowe badania opierają się na wcześniejszych pomysłach związanych z poziomym transferem genów, techniką stosowaną przez organizmy do przenoszenia materiału genetycznego między sobą w sposób odmienny od tradycyjnego dziedziczenia genetycznego z rodzica na potomstwo. Podczas gdy poziomy transfer genów jest powszechnie znany z bakterii na bakterie, naukowcy osiągnęli swój cel, jakim było zastosowanie tej koncepcji z nowotworów ssaków i komórek ludzkich do bakterii.
„To było niesamowite, kiedy zobaczyłem bakterie, które pobrały DNA guza pod mikroskopem. Myszy z guzami wyhodowały zielone kolonie bakteryjne, które nabyły zdolność wzrostu na płytkach z antybiotykami” – powiedział Wright.
Naukowcy dostosowują obecnie swoją strategię biosensorów bakteryjnych o nowe obwody i różne typy bakterii do wykrywania i leczenia ludzkich nowotworów i infekcji.
„Istnieje tak duży potencjał inżynierii bakteryjnej, aby zapobiegać rakowi jelita grubego, guzowi zanurzonemu w strumieniu bakterii, który może pomóc lub utrudnić jego postęp” – powiedział Woods.
Profesor nadzwyczajny Siddhartha Mukherjee z Columbia University, który nie brał udziału w badaniach, wskazał, że w przyszłości „choroby będą leczone i zapobiegane za pomocą komórek, a nie pigułek. Żywa bakteria, która może wykryć DNA w jelitach, to ogromna szansa na działać jako strażnik, aby szukać i niszczyć żołądkowo-jelitowe i wiele innych nowotworów”.
Podczas gdy nowy wynalazek wymaga dalszego rozwoju i udoskonalenia, zespół biologii syntetycznej w UC San Diego nadal optymalizuje zaawansowaną strategię bioczujników, powiedział Hasty, który ma powiązania z Wydziałem Biologii Molekularnej UC San Diego, Shu Chien-Gene Lay Department of Bioinżynieria i Instytut Biologii Syntetycznej.
„Jest przyszłość, w której nikt nie będzie musiał umierać na raka jelita grubego” — uważa Worthley. „Mamy nadzieję, że ta praca będzie przydatna dla bioinżynierów, naukowców, a w przyszłości klinicystów w dążeniu do tego celu”.
Współautorami artykułu Science są: Robert Cooper, Josephine Wright, Jia Ng, Jarrad Goyne, Nobumi Suzuki, Young Lee, Mari Ichinose, Georgette Radford, Feargal Ryan, Shalni Kumar, Elaine Thomas, Laura Vrbanac, Rob Knight, Susan Woods, Daniela Worthleya i Jeffa Hasty’ego.
Wideo: https://youtu.be/yS7sqiXegL4