Progettati batteri in grado di rilevare il DNA tumorale

 

 

Un biosensore avanzato sfrutta la tecnologia di ingegneria genetica CRISPR per identificare il cancro del colon.

 

 

 

Spingendosi in un nuovo ambito 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.

La ricerca è descritta sulla rivista Science. I batteri in precedenza erano stati progettati per svolgere varie funzioni diagnostiche e terapeutiche, ma mancavano della 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 se fosse possibile utilizzare i batteri come sensore per il DNA dei mammiferi”, ha detto il leader del team scientifico Jeff Hasty, professore presso la UC San Diego School of Biological Sciences e la Jacobs School of Engineering.

“L’individuazione di tumori gastrointestinali e lesioni precancerose è un’interessante opportunità clinica per applicare questa invenzione”.

I tumori sono noti per disperdere, o versare, il loro DNA negli ambienti che li circondano. Molte tecnologie possono analizzare il DNA purificato in laboratorio, ma queste non possono rilevare il DNA dove viene rilasciato.

Nell’ambito della strategia CATCH, i ricercatori hanno ingegnerizzato i batteri utilizzando la tecnologia CRISPR per testare sequenze di DNA fluttuanti a livello genomico e confrontare tali campioni con sequenze tumorali predeterminate (vedi video).

“Molti batteri possono assorbire il DNA dal loro ambiente, un’abilità nota come competenza naturale”, ha detto Rob Cooper, co-primo autore dello studio e scienziato presso l’Istituto di biologia sintetica della UC San Diego.

Hasty, Cooper e il medico australiano Dan Worthley hanno collaborato all’idea di 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 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 baylyi, un batterio in cui Cooper ha identificato gli elementi necessari sia per assorbire il DNA che 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 nel momento e nel luogo di rilevamento della malattia”, ha detto Worthley, gastroenterologo e ricercatore sul cancro presso la Colonoscopy Clinic di Brisbane, in Australia.

Lavorando con le colleghe australiane Susan Woods e Josephine Wright, i ricercatori hanno progettato, costruito e testato Acinetobacter baylyi come sensore per identificare il DNA da KRAS, un gene che è mutato in molti tumori.

Hanno programmato il batterio con un sistema CRISPR progettato per discriminare i mutanti dalle normali copie (non mutate) di KRAS.

Ciò significa che solo i batteri che avevano assunto forme mutanti di KRAS, come si trovano nei polipi precancerosi e nei tumori, ad esempio, sarebbero sopravvissuti 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 il materiale genetico tra loro in modo distinto dalla tradizionale eredità genetica genitore-prole.

Mentre il trasferimento genico orizzontale è ampiamente noto da batteri a batteri, i ricercatori hanno raggiunto il loro obiettivo di applicare questo concetto dai tumori dei mammiferi e dalle cellule umane nei batteri.

“È stato incredibile quando ho visto i batteri che avevano assorbito il DNA tumorale al microscopio. 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 umane.

“C’è così tanto potenziale per progettare 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 “la malattia sarà trattata e prevenuta dalle cellule, non dalle pillole. Un batterio vivente in grado di rilevare il DNA nell’intestino è una straordinaria opportunità per agire come sentinella per cercare e distruggere i tumori gastrointestinali e molti altri”.

Mentre la nuova invenzione richiede ulteriore sviluppo e perfezionamento, il team di biologia sintetica della UC San Diego continua a ottimizzare la strategia avanzata dei biosensori, ha detto Hasty, che detiene affiliazioni con il Dipartimento di Biologia Molecolare della UC San Diego, Shu Chien-Gene Lay Department of Bioengineering e Synthetic Biology Institute.

“C’è un futuro in cui nessuno deve morire di cancro del colon-retto”, crede Worthley. “Speriamo che questo lavoro sia utile ai bioingegneri, agli scienziati e, in futuro, ai medici, nel perseguimento di questo obiettivo”.

 

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