Science：检测肿瘤DNA细菌的技术

科学家们发明了技术先进的新型传感器，设计出了能够检测活体中肿瘤DNA存在的细菌。他们的创新可能为能够识别各种感染、癌症和其他疾病的新型生物传感器铺平道路。

　　

他们的发明可以在小鼠的结肠中检测癌症，这可能为能够识别各种感染、癌症和其他疾病的新型生物传感器铺平道路。这一进展于2023年8月11日发表在《Science》杂志上。细菌以前被设计成具有各种诊断和治疗功能，但缺乏识别细胞外特定DNA序列和突变的能力。新的“靶向CRISPR识别水平基因转移的细胞试验”或“CATCH”就是为了做到这一点而设计的。

“当我们四年前开始这个项目时，我们甚至不确定使用细菌作为哺乳动物DNA的传感器是否可能，”科学团队负责人、加州大学圣地亚哥分校生物科学学院和雅各布斯工程学院的教授Jeff Hasty说。“胃肠道癌症和癌前病变的检测是应用这项发明的一个有吸引力的临床机会。”

众所周知，肿瘤会将其DNA分散或脱落到周围的环境中。许多技术可以在实验室中分析纯化的DNA，但这些技术无法检测DNA释放的位置。在CATCH策略下，研究人员利用CRISPR技术改造细菌，在基因组水平上测试自由浮动的DNA序列，并将这些样本与预定的癌症序列进行比较。

“许多细菌可以从环境中吸收DNA，这是一种被称为自然能力的技能，”该研究的第一作者之一、加州大学圣地亚哥分校合成生物学研究所的科学家 Rob Cooper说。

他们开始构想将已经在结肠中普遍存在的工程细菌作为新的生物传感器的可能性，这种生物传感器可以部署在肠道内，以检测结直肠肿瘤释放的DNA。他们专注于贝氏不动杆菌(Acinetobacter baylyi)，Cooper在这种细菌中发现了吸收DNA和使用CRISPR分析DNA所必需的元素。   

澳大利亚布里斯班结肠镜诊所的胃肠病学家和癌症研究员Worthley说:“知道无细胞DNA可以作为信号或输入被动员起来，我们开始设计细菌，使其在疾病检测的时间和地点对肿瘤DNA做出反应。”

研究人员与澳大利亚同事Susan Woods和Josephine Wright合作，设计、制造并测试了贝氏不动杆菌作为一种传感器，用于识别KRAS基因的DNA。KRAS基因在许多癌症中都会发生突变。他们用CRISPR系统对细菌进行了编程，该系统旨在区分KRAS的正常(非突变)拷贝和突变拷贝。这意味着只有在癌前息肉和癌症中发现的KRAS突变形式的细菌才能存活下来，发出信号或对疾病做出反应。

这项新研究是基于先前与水平基因转移有关的想法，水平基因转移是一种生物用来在彼此之间移动遗传物质的技术，其方式与传统的亲代遗传不同。虽然人们普遍知道细菌之间的水平基因转移，但研究人员实现了将这一概念从哺乳动物肿瘤和人类细胞应用到细菌中的目标。

“当我在显微镜下看到吸收肿瘤DNA的细菌时，真是难以置信。有肿瘤的鼠长出了绿色的细菌菌落，这些菌落已经获得了在抗生素培养皿上生长的能力，”Wright说。

研究人员现在正在用新的电路和不同类型的细菌来调整他们的细菌生物传感器策略，以检测和治疗人类癌症和感染。

Woods说:“设计细菌来预防结直肠癌有很大的潜力。结直肠癌是一种沉浸在细菌流中的肿瘤，可以帮助或阻碍其发展。” 

没有参与这项研究的哥伦比亚大学副教授Siddhartha Mukherjee指出，在未来，“疾病将通过细胞而不是药物来治疗和预防。一种可以检测肠道DNA的活细菌是一个巨大的机会，可以充当哨兵，寻找并摧毁胃肠道和许多其他癌症。”

Hasty说，虽然这项新发明需要进一步发展和完善，但加州大学圣地亚哥分校的合成生物学团队仍在继续优化先进的生物传感器策略。Hasty隶属于加州大学圣地亚哥分校的分子生物系、生物工程系和合成生物学研究所。

“在未来，没有人需要死于结直肠癌，”Worthley相信。“我们希望这项工作对生物工程师、科学家以及未来的临床医生在追求这一目标的过程中有所帮助。”

Robert M. Cooper et al. Engineered bacteria detect tumor DNA. Science, 2023