Science：新型腫瘤檢測工具-工程化細菌

2023年8月11日，來自美國加州大學圣迭戈分校Jeff Hasty等研究人員合作在《科學》雜志上發表了標題為“Engineered bacteria detect tumor DNA. ”的研究成果，發現工程化細菌可檢測腫瘤DNA。

據了解，合成生物學已經開發出精密的細胞生物傳感器，用于檢測和應對人類疾病。然而，生物傳感器尚未被設計用于檢測特定的細胞外DNA序列和突變。

研究人員改造了具有自然能力的貝氏不動桿菌，用于檢測來自結直腸癌（CRC）細胞、器官組織和腫瘤基因組的供體DNA。研究人員通過共培養試驗在體外鑒定了生物傳感器的功能，然后通過將傳感器細菌送入攜帶結直腸腫瘤的小鼠體內進行了體內驗證。

該研究在體外通過共培養實驗表征了生物傳感器的功能，然后在體內用傳感器細菌傳遞給攜帶結直腸腫瘤的小鼠進行驗證。在小鼠CRC模型中，該研究觀察到從腫瘤到傳感器細菌的水平基因轉移。這種靶向的、CRISPR識別水平基因轉移(CATCH)的細胞檢測能夠對特定的無細胞DNA進行生物檢測。

細菌工程促進了活細胞診斷和治療方法的發展，包括對腸道炎癥、腸道出血、病原體和缺氧腫瘤做出反應的微生物。細菌可以進入整個胃腸道，產生糞便或尿液。細胞記憶，如雙穩態開關或基因組重排，使細菌能夠隨時間存儲信息。一些細菌天生具有轉化能力，可以直接從其環境中提取細胞外DNA樣本。自然能力是水平基因轉移(HGT)的一種機制，即生物之間的遺傳物質交換，而不是垂直的“親本到后代”傳播。HGT在微生物中很常見。它也可能發生從微生物到動物和植物，并在相反的方向，從真核生物到原核生物。然而，細菌通過HGT檢測和響應哺乳動物DNA的正向工程尚未被探索。

該文描述的傳感器細菌表明，活體生物傳感器可以檢測腸道中CRC脫落的特定哺乳動物DNA，無需樣品制備或處理。工程供體盒不需要CATCH生物傳感器來檢測、區分和報告目標序列，盡管最終的天然DNA生物傳感器將需要改進的信號背景比來可靠地檢測整個基因組DNA中的序列。同源臂和CRISPR間隔器是模塊化的，因此該策略可以很容易地用于檢測和分析任意感興趣的目標序列。

在小鼠CRC模型中，研究人員觀察到了從腫瘤到傳感細菌的水平基因轉移。這種針對CRISPR區分水平基因轉移（CATCH）的細胞檢測方法能夠對特定的無細胞DNA進行生物檢測。

體外DNA分析有助于檢測和管理重要的人類疾病，包括癌癥和感染。然而，體外傳感需要潛在的侵入性樣品去除，許多DNA診斷不能達到臨床相關的序列分辨率，更先進的技術仍然過于昂貴，無法在所有環境中常規使用。在體內對腸道進行直接取樣可能具有重要的優勢。胃腸道含有顯著的脫氧核糖核酸酶(DNase)活性，這限制了嚙齒動物和人類游離DNA的壽命，從而可能降低下游糞便樣本的信息含量。

文章來源：

Cooper, Josephine A. Wright et al,  Engineered bacteria detect tumor DNA.Robert M. Science：最新IF：63.714