Ученые создали бактерии-диагносты, способные обнаруживать рак в живых организмах

Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего и их коллеги из Австралии создали бактерии, способные определять наличие опухолевой ДНК в живом организме, что открывает новую страницу в развитии биологических сенсоров.

Разработка, обнаружившая рак в толстой кишке мышей, может проложить путь к созданию новых биосенсоров, способных определять различные инфекции, рак и другие заболевания.

Работа описана 11 августа 2023 г. в журнале Science. Бактерии ранее были созданы для выполнения различных диагностических и терапевтических функций, но не обладали способностью определять специфические последовательности ДНК и мутации вне клеток. Новый «Клеточный анализ для направленного CRISPR-дискриминированного горизонтального переноса генов», или „CATCH“, был разработан именно для этого.

Когда мы начинали этот проект четыре года назад, мы даже не были уверены, что использование бактерий в качестве сенсора для ДНК млекопитающих вообще возможно, — говорит руководитель научной группы Джефф Хасти (Jeff Hasty), профессор Школы биологических наук UC San Diego и Инженерной школы Джейкобса.

Обнаружение раковых и предраковых заболеваний желудочно-кишечного тракта — это привлекательная клиническая возможность для применения данного изобретения.

Известно, что опухоли рассеивают свою ДНК в окружающую их среду. Многие технологии позволяют анализировать очищенную ДНК в лабораторных условиях, но они не могут обнаружить ДНК там, где она высвобождается. В рамках стратегии CATCH исследователи сконструировали бактерии с использованием технологии CRISPR для проверки свободно плавающих последовательностей ДНК на геномном уровне и сравнения этих образцов с заранее определенными последовательностями рака (см. видео).

Многие бактерии могут забирать ДНК из окружающей среды, и это умение известно как естественная компетентность, — сказал Роб Купер, соавтор исследования и ученый из Института синтетической биологии Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Хасти, Купер и австралийский врач Дэн Уортли совместно разработали идею естественной компетентности применительно к бактериям и колоректальному раку, который является третьей ведущей причиной смертности от рака в США.

Они начали формулировать возможность использования бактерий, которые уже широко распространены в толстой кишке, в качестве новых биосенсоров, которые могут быть установлены внутри кишечника для обнаружения ДНК, высвобождаемой из опухолей толстой кишки. Они остановились на бактерии Acinetobacter baylyi, в которой Купер определил элементы, необходимые как для захвата ДНК, так и для ее анализа с помощью CRISPR.

Зная, что свободная от клеток ДНК может быть мобилизована в качестве сигнала или входа, мы поставили перед собой задачу сконструировать бактерии, которые реагировали бы на опухолевую ДНК в момент и в месте обнаружения заболевания, — заявляет Уортли, гастроэнтеролог и исследователь рака из Клиники колоноскопии в Брисбене (Австралия).

Совместно с австралийскими коллегами Сьюзан Вудс и Джозефиной Райт исследователи разработали, создали и протестировали Acinetobacter baylyi в качестве сенсора для выявления ДНК KRAS — гена, мутирующего во многих видах рака. Они запрограммировали бактерию с помощью системы CRISPR, предназначенной для различения мутантных и нормальных (не мутировавших) копий KRAS. Это означает, что только бактерии, принявшие мутантные формы KRAS, которые встречаются, например, в предраковых полипах или раковых опухолях, смогут выжить и подать сигнал или отреагировать на заболевание.

Новое исследование основано на предыдущих идеях, связанных с горизонтальным переносом генов — способом, используемым организмами для перемещения генетического материала между собой в отличие от традиционного генетического наследования от родителей к потомству. Хотя горизонтальный перенос генов широко известен от бактерий к бактериям, исследователи достигли своей цели, применив эту концепцию от опухолей млекопитающих и клеток человека к бактериям.

Когда я увидел под микроскопом бактерии, принявшие опухолевую ДНК, это было невероятно. У мышей с опухолями выросли зеленые колонии бактерий, которые приобрели способность расти на пластинах с антибиотиками, — говорит Райт.

В настоящее время исследователи адаптируют свою стратегию создания бактериальных биосенсоров с использованием новых схем и различных типов бактерий для обнаружения и лечения раковых заболеваний и инфекций человека.

Существует огромный потенциал для разработки бактерий для предотвращения колоректального рака — опухоль погружается в поток бактерий, которые могут помочь или помешать ее прогрессированию, — сказал Вудс.

Доцент Сиддхартха Мухерджи из Колумбийского университета, не принимавший участия в исследовании, отметил, что в будущем болезни будут лечить и предотвращать с помощью клеток, а не таблеток. Живая бактерия, способная обнаруживать ДНК в кишечнике, — это огромная возможность действовать в качестве дозорного для поиска и уничтожения раковых опухолей желудочно-кишечного тракта и многих других.

Хотя новое изобретение требует дальнейшей разработки и доработки, команда специалистов по синтетической биологии из Калифорнийского университета в Сан-Диего продолжает оптимизировать передовую стратегию создания биосенсоров, говорит Хасти, который сотрудничает с кафедрой молекулярной биологии Калифорнийского университета в Сан-Диего, кафедрой биоинженерии Шу Чьен-Ген Лэй и Институтом синтетической биологии.

Есть будущее, в котором никто не должен умирать от колоректального рака, — заключает Уортли.

Мы надеемся, что данная работа будет полезна биоинженерам, ученым и, в будущем, врачам в достижении этой цели.

13.08.2023