Forscher entwickeln Bakterien, die Tumor-DNA erkennen können

Um ein neues Kapitel technologisch fortschrittlicher biologischer Sensoren aufzuschlagen, haben Wissenschaftler der University of California San Diego und ihre Kollegen in Australien Bakterien entwickelt, die das Vorhandensein von Tumor-DNA in einem lebenden Organismus erkennen können.

Ihre Innovation, die Krebs im Dickdarm von Mäusen entdeckte, könnte den Weg für neue Biosensoren ebnen, die verschiedene Infektionen, Krebs und andere Krankheiten identifizieren können.

Der Fortschritt wird im Journal beschrieben Wissenschaft. Bisher wurden Bakterien dazu entwickelt, verschiedene diagnostische und therapeutische Funktionen zu erfüllen, ihnen fehlte jedoch die Fähigkeit, spezifische DNA-Sequenzen und Mutationen außerhalb von Zellen zu identifizieren. Der neue „Cellular Assay for Targeted CRISPR-discriminated Horizontal gene transfer“ oder „CATCH“ wurde genau dafür entwickelt.

„Als wir vor vier Jahren mit diesem Projekt begannen, waren wir uns nicht einmal sicher, ob die Verwendung von Bakterien als Sensor für Säugetier-DNA überhaupt möglich war“, sagte Jeff Hasty, Leiter des wissenschaftlichen Teams, Professor an der San Diego School of Biological der University of California Naturwissenschaften und Jacobs School of Engineering. „Die Erkennung von Magen-Darm-Krebs und präkanzerösen Läsionen ist eine attraktive klinische Möglichkeit, diese Erfindung anzuwenden.“

Es ist bekannt, dass Tumore ihre DNA in die sie umgebende Umgebung verteilen oder abgeben. Viele Technologien können gereinigte DNA im Labor analysieren, diese können die DNA jedoch nicht dort erkennen, wo sie freigesetzt wird. Im Rahmen der CATCH-Strategie haben die Forscher mithilfe der CRISPR-Technologie Bakterien entwickelt, um frei schwebende DNA-Sequenzen auf genomischer Ebene zu testen und diese Proben mit vorgegebenen Krebssequenzen zu vergleichen.

„Viele Bakterien können DNA aus ihrer Umgebung aufnehmen, eine Fähigkeit, die als natürliche Kompetenz bekannt ist“, sagte Rob Cooper, Co-Erstautor der Studie und Wissenschaftler am Synthetic Biology Institute der UC San Diego. Hasty, Cooper und der australische Arzt Dan Worthley arbeiteten gemeinsam an der Idee der natürlichen Kompetenz im Zusammenhang mit Bakterien und Darmkrebs, der dritthäufigsten krebsbedingten Todesursache in den Vereinigten Staaten.

Sie begannen, die Möglichkeit zu formulieren, Bakterien, die bereits im Dickdarm vorkommen, als neue Biosensoren zu entwickeln, die im Darm eingesetzt werden könnten, um DNA zu erkennen, die von kolorektalen Tumoren freigesetzt wird. Sie konzentrierten sich auf Acinetobacter baylyi, ein Bakterium, in dem Cooper die Elemente identifizierte, die sowohl für die Aufnahme von DNA als auch für deren Analyse mit CRISPR notwendig sind.

„Da wir wussten, dass zellfreie DNA als Signal oder Input mobilisiert werden kann, machten wir uns daran, Bakterien zu entwickeln, die zum Zeitpunkt und am Ort der Krankheitserkennung auf Tumor-DNA reagieren“, sagte Worthley, ein Gastroenterologe und Krebsforscher bei Koloskopie-Klinik in Brisbane, Australien.

In Zusammenarbeit mit den australischen Kollegen Susan Woods und Josephine Wright entwarfen, bauten und testeten die Forscher Acinetobacter baylyi als Sensor zur Identifizierung von DNA aus KRAS, einem Gen, das bei vielen Krebsarten mutiert ist. Sie programmierten das Bakterium mit einem CRISPR-System, das mutierte von normalen (nicht mutierten) Kopien von KRAS unterscheiden sollte. Dies bedeutet, dass nur Bakterien, die mutierte Formen von KRAS aufgenommen haben, wie sie beispielsweise in präkanzerösen Polypen und Krebserkrankungen vorkommen, überleben würden, um der Krankheit ein Signal zu geben oder auf sie zu reagieren.

Die neue Forschung basiert auf früheren Ideen im Zusammenhang mit dem horizontalen Gentransfer, einer Technik, mit der Organismen genetisches Material untereinander auf eine Weise übertragen, die sich von der traditionellen genetischen Vererbung von Eltern auf Nachkommen unterscheidet. Während der horizontale Gentransfer von Bakterien zu Bakterien weithin bekannt ist, erreichten die Forscher ihr Ziel, dieses Konzept von Säugetiertumoren und menschlichen Zellen auf Bakterien anzuwenden.

„Es war unglaublich, als ich die Bakterien, die die Tumor-DNA aufgenommen hatten, unter dem Mikroskop sah. Die Mäuse mit Tumoren bildeten grüne Bakterienkolonien, die die Fähigkeit erlangt hatten, auf Antibiotikaplatten zu wachsen“, sagte Wright.

Die Forscher passen nun ihre Bakterien-Biosensor-Strategie mit neuen Schaltkreisen und verschiedenen Bakterienarten an, um Krebserkrankungen und Infektionen beim Menschen zu erkennen und zu behandeln.

„Es gibt so viel Potenzial, Bakterien zu manipulieren, um Darmkrebs zu verhindern, einen Tumor, der in einen Bakterienstrom eingetaucht ist, der sein Fortschreiten unterstützen oder behindern könnte“, sagte Woods.

Der außerordentliche Professor Siddhartha Mukherjee von der Columbia University, der nicht an der Studie beteiligt war, wies darauf hin, dass „Krankheiten in Zukunft durch Zellen und nicht durch Pillen behandelt und verhindert werden.“ Ein lebendes Bakterium, das DNA im Darm erkennen kann, ist eine enorme Chance dafür Wir fungieren als Wächter, um Magen-Darm- und viele andere Krebsarten aufzuspüren und zu zerstören.“

Während die neue Erfindung einer weiteren Entwicklung und Verfeinerung bedarf, optimiert das Team für synthetische Biologie an der UC San Diego weiterhin die fortschrittliche Biosensor-Strategie, sagte Hasty, der mit der Abteilung für Molekularbiologie der UC San Diego, der Abteilung für Bioingenieurwesen der Shu Chien-Gene Lay und der Abteilung für Bioingenieurwesen der UC San Diego verbunden ist Institut für Synthetische Biologie.

„Es gibt eine Zukunft, in der niemand mehr an Darmkrebs sterben muss“, glaubt Worthley. „Wir hoffen, dass diese Arbeit für Bioingenieure, Wissenschaftler und in Zukunft auch für Kliniker bei der Verfolgung dieses Ziels von Nutzen sein wird.“