Ulazeći u novo poglavlje tehnološki naprednih bioloških senzora, naučnici sa Univerziteta Kalifornije u San Dijegu i njihove kolege u Australiji su konstruisali bakterije koje mogu da otkriju prisustvo DNK tumora u živom organizmu.
Njihova inovacija, koja je otkrila rak u debelom crevu miševa, mogla bi da otvori put novim biosenzorima sposobnim da identifikuju različite infekcije, rak i druge bolesti.
Napredak je opisan u časopisu Science. Bakterije su ranije bile dizajnirane da obavljaju različite dijagnostičke i terapeutske funkcije, ali im je nedostajala sposobnost da identifikuju specifične sekvence DNK i mutacije van ćelija. Novi „ćelijski test za ciljani horizontalni transfer gena diskriminisan CRISPR-om“ ili „CATCH“ je dizajniran da uradi upravo to.
„Kako smo započeli ovaj projekat pre četiri godine, nismo čak ni bili sigurni da li je korišćenje bakterija kao senzora za DNK sisara uopšte moguće“, rekao je vođa naučnog tima Džef Hejsti, profesor na biološkoj školi Univerziteta Kalifornije u San Dijegu. Sciences i Jacobs School of Engineering. „Otkrivanje karcinoma gastrointestinalnog trakta i prekanceroznih lezija je atraktivna klinička prilika za primenu ovog pronalaska.
Poznato je da tumori raspršuju ili izbacuju svoju DNK u okruženje koje ih okružuje. Mnoge tehnologije mogu analizirati prečišćenu DNK u laboratoriji, ali one ne mogu otkriti DNK gde se oslobađa. U okviru strategije CATCH, istraživači su konstruisali bakterije koristeći CRISPR tehnologiju da testiraju slobodno plutajuće DNK sekvence na genomskom nivou i uporede te uzorke sa unapred određenim sekvencama raka. Tehnologija CATCH konstruiše ćelije da detektuju i razlikuju DNK bez ćelija. Ovo može biti od vrednosti u kliničkim (rak i infekcija) i komercijalnim (ekologija, industrijska) primenama – gde god i kad god, otkrivanje DNK je dragoceno. Zasluge: Cooper et al 2023 i Animate Iour Science
„Mnoge bakterije mogu preuzeti DNK iz svog okruženja, što je veština poznata kao prirodna kompetencija“, rekao je Rob Kuper, prvi autor studije i naučnik sa Instituta za sintetičku biologiju UC San Dijega. Hasti, Kuper i australijski doktor Dan Vortli sarađivali su na ideji prirodne sposobnosti u vezi sa bakterijama i kolorektalnim karcinomom, trećem vodećim uzrokom smrti od raka u Sjedinjenim Državama.
Počeli su da formulišu mogućnost inženjeringa bakterija, koje su već rasprostranjene u debelom crevu, kao novih biosenzora koji bi mogli da se rasporede unutar creva da bi otkrili DNK oslobođen iz kolorektalnih tumora. Fokusirali su se na Acinetobacter bailii, bakteriju u kojoj je Kuper identifikovao elemente neophodne za preuzimanje DNK i korišćenje CRISPR-a za njegovu analizu.
„Znajući da DNK bez ćelija može da se mobiliše kao signal ili ulaz, krenuli smo da konstruišemo bakterije koje bi reagovale na DNK tumora u vreme i na mestu otkrivanja bolesti“, rekao je Vortli, gastroenterolog i istraživač raka u kompaniji Klinika za kolonoskopiju u Brizbejnu, Australija.
Radeći sa australijskim kolegama Suzan Vuds i Džozefin Rajt, istraživači su dizajnirali, izgradili i testirali Acinetobacter bailii kao senzor za identifikaciju DNK iz KRAS-a, gena koji je mutiran u mnogim vrstama raka. Oni su programirali bakteriju pomoću CRISPR sistema dizajniranog da razlikuje mutante od normalnih (nemutiranih) kopija KRAS-a. To znači da bi samo bakterije koje su preuzele mutantne oblike KRAS-a, kao što se nalaze u prekanceroznim polipima i kancerima, na primer, preživele da signaliziraju ili reaguju na bolest.
Novo istraživanje je zasnovano na prethodnim idejama u vezi sa horizontalnim transferom gena, tehnikom koju organizmi koriste za premeštanje genetskog materijala jedan na drugi na način različit od tradicionalnog genetskog nasleđa od roditelja do potomstva. Dok je horizontalni transfer gena široko poznat sa bakterija na bakterije, istraživači su postigli svoj cilj primene ovog koncepta iz tumora sisara i ljudskih ćelija u bakterije.
„Bilo je neverovatno kada sam video bakterije koje su preuzele DNK tumora pod mikroskopom. Miševi sa tumorima su uzgajali zelene kolonije bakterija koje su stekle sposobnost rasta na pločama sa antibiotikom“, rekao je Rajt.
Istraživači sada prilagođavaju svoju strategiju biosenzora za bakterije novim krugovima i različitim vrstama bakterija za otkrivanje i lečenje ljudskih karcinoma i infekcija.
„Postoji toliko potencijala za stvaranje bakterija za sprečavanje kolorektalnog karcinoma, tumora koji je uronjen u tok bakterija, koji bi mogao pomoći ili ometati njegovo napredovanje“, rekao je Vuds.
Vanredni profesor Sidarta Mukerdži sa Univerziteta Kolumbija, koji nije bio uključen u studiju, ukazao je da će se u budućnosti „bolest lečiti i sprečavati ćelijama, a ne tabletama. Živa bakterija koja može da otkrije DNK u crevima je ogromna prilika da se ponašati se kao stražar za traženje i uništavanje gastrointestinalnih i mnogih drugih karcinoma.“
Dok novi pronalazak zahteva dalji razvoj i usavršavanje, tim za sintetičku biologiju u UC San Diego nastavlja da optimizuje naprednu strategiju biosenzora, rekao je Hasti, koji je povezan sa Odeljenjem za molekularnu biologiju UC San Dijega, Odeljenjem za bioinženjering Shu Chien-Gene Lai i Institut za sintetičku biologiju.
„Postoji budućnost u kojoj niko ne treba da umre od kolorektalnog raka“, smatra Vortli. „Nadamo se da će ovaj rad biti koristan bioinženjerima, naučnicima i, u budućnosti, kliničarima, u potrazi za ovim ciljem.“
