Oamenii de știință de la University of California San Diego și colegii lor din Australia au creat bacterii care pot detecta prezența ADN-ului tumoral într-un organism viu.
Această realizare inovatoare este o perspectivă către dezvoltarea unor biosenzori revoluționari, având potențialul de a diagnostica diverse infecții, tipuri de cancer și alte afecțiuni medicale.
La data de 11 august 2023, Science relatează despre un progres semnificativ. Până în acest moment, bacteriile au fost modificate în diverse scopuri legate de diagnosticare și terapie, însă nu puteau să detecteze în mod specific anumite secvențe de ADN sau mutații în afara propriilor celule. Noul sistem denumit „Cellular Assay for Targeted CRISPR-discriminated Horizontal gene transfer” sau „CATCH” a fost dezvoltat pentru a îndeplini exact această funcție.
„Când am început acest proiect, acum patru ani, nici măcar nu eram siguri că utilizarea bacteriilor ca senzor pentru ADN-ul mamiferelor este posibilă. Detectarea cancerelor gastrointestinale și a leziunilor precanceroase reprezintă o oportunitate clinică atractivă de a aplica această invenție” , a spus Jeff Hasty, liderul echipei științifice, profesor la Școala de Științe Biologice și la Școala de Inginerie Jacobs din cadrul UC San Diego.
Potrivit cercetătorilor, tumorile eliberează sau dispersează ADN-ul lor în mediul înconjurător. Deși există numeroase tehnologii capabile să analizeze ADN-ul purificat în laborator, acestea nu pot detecta ADN-ul în locurile unde a fost eliberat. În cadrul abordării denumite CATCH (Cellular Assay for Targeted CRISPR-discriminated Horizontal gene transfer), specialiștii au manipulat bacteriile folosind tehnologia CRISPR pentru a examina secvențele de ADN prezente în mod liber în genom și pentru a compara aceste eșantioane cu secvențele specifice de cancer deja cunoscute.
„Multe bacterii pot prelua ADN din mediul lor, o abilitate cunoscută sub numele de competență naturală”, a menționat Rob Cooper, coautorul primului autor al studiului și om de știință la Institutul de Biologie Sintetică din cadrul UC San Diego.
Hasty, Cooper și medicul australian Dan Worthley au lucrat împreună pentru a explora conceptul de utilizare a competenței naturale în contextul bacteriilor în relație cu cancerul colorectal, care reprezintă a treia cauză principală de deces prin cancer în Statele Unite.
Acești cercetători au început să dezvolte ideea de a modifica bacteriile deja existente în colon pentru a le transforma în biosenzori inovativi. Scopul era de a integra acești biosenzori în interiorul intestinului pentru a identifica ADN-ul eliberat de tumorile colorectale. Eforturile lor s-au concentrat asupra bacteriei Acinetobacter baylyi, unde Cooper a identificat componentele esențiale pentru preluarea ADN-ului și utilizarea tehnologiei CRISPR pentru analiză.
„Știind că ADN-ul liber de celule poate fi mobilizat ca un semnal sau ca o intrare, ne-am propus să construim bacterii care să răspundă la ADN-ul tumoral în momentul și locul de detectare a bolii”, a spus Worthley, gastroenterolog și cercetător în domeniul cancerului la Colonoscopy Clinic din Brisbane, Australia.
Prin colaborarea lor cu cercetătoarele australiene Susan Woods și Josephine Wright, oamenii de știință au dezvoltat, construit și supus testelor bacteriile Acinetobacter baylyi pentru a acționa ca senzori capabili să identifice secvențele ADN din gena KRAS. Această genă suferă mutații într-o varietate de tipuri de cancer. Echipa a programat aceste bacterii folosind un sistem CRISPR special proiectat pentru a distinge între copiile mutante și cele normale (nemutante) ale genei KRAS. Astfel, doar bacteriile care au capturat formele mutante ale genei KRAS, așa cum se găsesc în polipii precanceroși și cancere, au supraviețuit pentru a transmite semnale sau a reacționa la prezența bolii.
Noua cercetare se bazează pe idei anterioare legate de transferul orizontal de gene, o metodă prin care organisme pot muta materialul genetic între ele într-un mod distinct de moștenirea genetică tradițională de la părinți la urmași. Deși transferul orizontal de gene este recunoscut mai ales în contextul bacteriilor, cercetătorii au realizat cu succes o extindere a acestui concept, aplicându-l de această dată de la tumori mamiferiene și celule umane către bacterii.
„A fost incredibil când am văzut la microscop bacteriile care preluaseră ADN-ul tumoral. La șoarecii cu tumori au crescut colonii bacteriene verzi care au dobândit capacitatea de a se dezvolta pe plăci cu antibiotice”, a povestit Wright.
În prezent, cercetătorii își ajustează abordarea de utilizare a biosenzorilor bacterieni prin implementarea de noi configurații și variate tipuri de bacterii, cu scopul de a identifica și trata atât cancerele, cât și infecțiile umane.
„Există un potențial vast în ceea ce privește modificarea bacteriilor pentru a preveni cancerul colorectal, o afecțiune în care tumora este înconjurată de o comunitate de bacterii care ar putea influența în mod pozitiv sau negativ evoluția bolii.”, a explicat Woods.
Profesorul asociat Siddhartha Mukherjee de la Universitatea Columbia, care nu a fost implicat în acest studiu, a indicat că, în viitor, „bolile vor fi tratate și prevenite cu ajutorul celulelor, nu cu ajutorul pastilelor”.
„O bacterie vie care poate detecta ADN-ul în intestin este o oportunitate extraordinară de a acționa ca o santinelă pentru a căuta și distruge cancerele gastro-intestinale, precum și multe alte tipuri de cancer", a adăugat profesorul.
Hasty, care este asociat cu Departamentul de Biologie Moleculară al UC San Diego, precum și cu Departamentul de Bioinginerie Shu Chien-Gene Lay și Institutul de Biologie Sintetică, a indicat că, deși această nouă inovație necesită etape suplimentare de dezvoltare și rafinare, echipa de biologie sintetică de la UC San Diego continuă să lucreze pentru a optimiza strategia avansată a acestui biosenzor.
„Există un viitor în care nimeni nu trebuie să moară din cauza cancerului colorectal. Sperăm că această lucrare va fi utilă pentru bioingineri, oameni de știință și, în viitor, pentru clinicieni, în urmărirea acestui obiectiv”, crede Worthley.
