Entrando in un nuovo capitolo di sensori biologici tecnologicamente avanzati, gli scienziati dell’Università della California di San Diego e i loro colleghi in Australia hanno ingegnerizzato batteri in grado di rilevare la presenza di DNA tumorale in un organismo vivo.
La loro innovazione, che ha rilevato il cancro nel colon dei topi, potrebbe aprire la strada a nuovi biosensori in grado di identificare varie infezioni, tumori e altre malattie.
Il progresso è descritto l’11 agosto 2023 nel diario Scienza. I batteri in precedenza erano stati progettati per svolgere varie funzioni diagnostiche e terapeutiche, ma non avevano la capacità di identificare specifiche sequenze di DNA e mutazioni al di fuori delle cellule. Il nuovo “Cellular Assay for Targeted CRISPR-discriminated Horizontal gene transfer” o “CATCH” è stato progettato per fare proprio questo.
“Quando abbiamo iniziato questo progetto quattro anni fa, non eravamo nemmeno sicuri che l’utilizzo di batteri come sensore per il DNA dei mammiferi fosse possibile”, ha affermato il leader del team scientifico Jeff Hasty, professore presso la UC San Diego School of Biological Sciences e Jacobs Scuola di Ingegneria. “L’individuazione di tumori gastrointestinali e lesioni precancerose è un’interessante opportunità clinica per applicare questa invenzione”.
È noto che i tumori disperdono, o versano, il loro DNA negli ambienti che li circondano. Molte tecnologie possono analizzare il DNA purificato in laboratorio, ma queste non sono in grado di rilevare il DNA dove viene rilasciato. Nell’ambito della strategia CATCH, i ricercatori hanno ingegnerizzato batteri utilizzando la tecnologia CRISPR per testare sequenze di DNA fluttuanti a livello genomico e confrontare quei campioni con sequenze tumorali predeterminate.
“Molti batteri possono assorbire il DNA dal loro ambiente, un’abilità nota come competenza naturale”, ha affermato Rob Cooper, co-autore dello studio e scienziato presso il Synthetic Biology Institute della UC San Diego. Hasty, Cooper e il medico australiano Dan Worthley hanno collaborato all’idea della competenza naturale in relazione ai batteri e al cancro del colon-retto, la terza causa di morte correlata al cancro negli Stati Uniti.
Hanno iniziato a formulare la possibilità di ingegnerizzare i batteri, che sono già prevalenti nel colon, come nuovi biosensori che potrebbero essere distribuiti all’interno dell’intestino per rilevare il DNA rilasciato dai tumori del colon-retto. Si sono concentrati su Acinetobacter baylyiun batterio in cui Cooper ha identificato gli elementi necessari sia per prelevare il DNA sia per utilizzare CRISPR per analizzarlo.
“Sapendo che il DNA privo di cellule può essere mobilitato come segnale o input, abbiamo deciso di progettare batteri che rispondessero al DNA tumorale al momento e nel luogo del rilevamento della malattia”, ha affermato Worthley, gastroenterologo e ricercatore sul cancro con il Clinica di colonscopia a Brisbane, Australia.
Lavorando con i colleghi australiani Susan Woods e Josephine Wright, i ricercatori hanno progettato, costruito e testato Acinetobacter baylyi come sensore per identificare il DNA di KRAS, un gene mutato in molti tipi di cancro. Hanno programmato il batterio con un sistema CRISPR progettato per discriminare le copie mutanti da quelle normali (non mutate) di KRAS. Ciò significa che solo i batteri che hanno assunto forme mutanti di KRAS, come si trovano nei polipi precancerosi e nei tumori, ad esempio, sopravviverebbero per segnalare o rispondere alla malattia.
La nuova ricerca si basa su idee precedenti relative al trasferimento genico orizzontale, una tecnica utilizzata dagli organismi per spostare materiale genetico tra loro in un modo distinto dall’eredità genetica tradizionale da genitore a prole. Mentre il trasferimento genico orizzontale è ampiamente noto dai batteri ai batteri, i ricercatori hanno raggiunto il loro obiettivo di applicare questo concetto dai tumori dei mammiferi e dalle cellule umane ai batteri.
“È stato incredibile quando ho visto al microscopio i batteri che avevano assorbito il DNA del tumore. I topi con tumori hanno sviluppato colonie batteriche verdi che avevano acquisito la capacità di crescere su piastre antibiotiche”, ha detto Wright.
I ricercatori stanno ora adattando la loro strategia di biosensori batterici con nuovi circuiti e diversi tipi di batteri per rilevare e trattare tumori e infezioni umani.
“C’è così tanto potenziale per ingegnerizzare i batteri per prevenire il cancro del colon-retto, un tumore che è immerso in un flusso di batteri, che potrebbe aiutare o ostacolare la sua progressione”, ha detto Woods.
Il professore associato Siddhartha Mukherjee della Columbia University, che non è stato coinvolto nello studio, ha indicato che in futuro “le malattie saranno curate e prevenute dalle cellule, non dalle pillole. Un batterio vivente in grado di rilevare il DNA nell’intestino è una straordinaria opportunità per agire come una sentinella per cercare e distruggere il cancro gastrointestinale e molti altri”.
Mentre la nuova invenzione richiede ulteriore sviluppo e perfezionamento, il team di biologia sintetica dell’UC San Diego continua a ottimizzare la strategia avanzata del biosensore, ha affermato Hasty, che detiene affiliazioni con il Dipartimento di biologia molecolare dell’UC San Diego, il Dipartimento di bioingegneria Shu Chien-Gene Lay e Istituto di biologia sintetica.
“C’è un futuro in cui nessuno deve morire di cancro del colon-retto”, crede Worthley. “Ci auguriamo che questo lavoro possa essere utile a bioingegneri, scienziati e, in futuro, medici, nel perseguimento di questo obiettivo”.
I coautori di Scienza carta sono: 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, Daniel Worthley e Jeff Hasty .
Video: https://youtu.be/yS7sqiXegL4
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