新技術！檢測腫瘤DNA細菌的技術

他們的發明可以在小鼠的結腸中檢測癌癥，這可能為能夠識別各種感染、癌癥和其他疾病的新型生物傳感器鋪平道路。這一進展于2023年8月11日發表在《Science》雜志上。細菌以前被設計成具有各種診斷和治療功能，但缺乏識別細胞外特定DNA序列和突變的能力。新的“靶向CRISPR識別水平基因轉移的細胞試驗”或“CATCH”就是為了做到這一點而設計的。

“當我們四年前開始這個項目時，我們甚至不確定使用細菌作為哺乳動物DNA的傳感器是否可能，”科學團隊負責人、加州大學圣地亞哥分校生物科學學院和雅各布斯工程學院的教授Jeff Hasty說。“胃腸道癌癥和癌前病變的檢測是應用這項發明的一個有吸引力的臨床機會。”

眾所周知，腫瘤會將其DNA分散或脫落到周圍的環境中。許多技術可以在實驗室中分析純化的DNA，但這些技術無法檢測DNA釋放的位置。在CATCH策略下，研究人員利用CRISPR技術改造細菌，在基因組水平上測試自由浮動的DNA序列，并將這些樣本與預定的癌癥序列進行比較。

“許多細菌可以從環境中吸收DNA，這是一種被稱為自然能力的技能，”該研究的**作者之一、加州大學圣地亞哥分校合成生物學研究所的科學家 Rob Cooper說。

他們開始構想將已經在結腸中普遍存在的工程細菌作為新的生物傳感器的可能性，這種生物傳感器可以部署在腸道內，以檢測結直腸腫瘤釋放的DNA。他們專注于貝氏不動桿菌(Acinetobacter baylyi)，Cooper在這種細菌中發現了吸收DNA和使用CRISPR分析DNA所必需的元素。   

澳大利亞布里斯班結腸鏡診所的胃腸病學家和癌癥研究員Worthley說:“知道無細胞DNA可以作為信號或輸入被動員起來，我們開始設計細菌，使其在疾病檢測的時間和地點對腫瘤DNA做出反應。”

研究人員與澳大利亞同事Susan Woods和Josephine Wright合作，設計、制造并測試了貝氏不動桿菌作為一種傳感器，用于識別KRAS基因的DNA。KRAS基因在許多癌癥中都會發生突變。他們用CRISPR系統對細菌進行了編程，該系統旨在區分KRAS的正常(非突變)拷貝和突變拷貝。這意味著只有在癌前息肉和癌癥中發現的KRAS突變形式的細菌才能存活下來，發出信號或對疾病做出反應。

這項新研究是基于先前與水平基因轉移有關的想法，水平基因轉移是一種生物用來在彼此之間移動遺傳物質的技術，其方式與傳統的親代遺傳不同。雖然人們普遍知道細菌之間的水平基因轉移，但研究人員實現了將這一概念從哺乳動物腫瘤和人類細胞應用到細菌中的目標。

“當我在顯微鏡下看到吸收腫瘤DNA的細菌時，真是難以置信。有腫瘤的鼠長出了綠色的細菌菌落，這些菌落已經獲得了在抗生素培養皿上生長的能力，”Wright說。

研究人員現在正在用新的電路和不同類型的細菌來調整他們的細菌生物傳感器策略，以檢測和治療人類癌癥和感染。

Woods說:“設計細菌來預防結直腸癌有很大的潛力。結直腸癌是一種沉浸在細菌流中的腫瘤，可以幫助或阻礙其發展。”

沒有參與這項研究的哥倫比亞大學副教授Siddhartha Mukherjee指出，在未來，“疾病將通過細胞而不是藥物來治療和預防。一種可以檢測腸道DNA的活細菌是一個巨大的機會，可以充當哨兵，尋找并摧毀胃腸道和許多其他癌癥。”

Hasty說，雖然這項新發明需要進一步發展和完善，但加州大學圣地亞哥分校的合成生物學團隊仍在繼續優化先進的生物傳感器策略。Hasty隸屬于加州大學圣地亞哥分校的分子生物系、生物工程系和合成生物學研究所。

“在未來，沒有人需要死于結直腸癌，”Worthley相信。“我們希望這項工作對生物工程師、科學家以及未來的臨床醫生在追求這一目標的過程中有所幫助。”

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