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來源：生物谷原創 2023-08-15 18:08 一種名為巴氏不動桿菌（Acinetobacter baylyi）的細菌通常是非致病性的，而且天生就能通過水平基因轉移攝取周圍環境中的DNA。在一項新的研究中，來自美國加州大學圣地亞哥分校、澳大利亞南澳 一種名為巴氏不動桿菌（Acinetobacter baylyi）的細菌通常是非致病性的，而且天生就能通過水平基因轉移攝取周圍環境中的DNA。在一項新的研究中，來自美國加州大學圣地亞哥分校、澳大利亞南澳大利亞健康與醫學研究所和阿德萊德大學的研究人員利用這一特性，對這種細菌進行了基因改造，只有當它們攝取了含有特定癌基因（比如KRAS）中癌癥相關突變的DNA，而不是野生型對應DNA時，它們才會對特定抗生素藥物產生抗藥性。這種經過基因改造的細菌在體外培養的攜帶相關突變的細胞中檢測到它們的靶標，而且在直腸灌腸給送后，在攜帶相關突變腫瘤的結直腸癌小鼠模型中，觀察到了從腫瘤到這種細菌的水平基因轉移，這使得這種細菌檢測到了它們的靶標，這將為開發能夠識別各種感染、癌癥和其他疾病的新型生物傳感器鋪平道路。相關研究結果發表在2023年8月11日的Science期刊上，論文標題為“Engineered bacteria detect tumor DNA”。
細菌以前經過基因改造后用于執行各種診斷和治療功能，但缺乏識別細胞外特定 DNA 序列和突變的能力。在這項新的研究中，他們開發出的“靶向CRISPR識別水平基因轉移的細胞檢測（Cellular Assay for Targeted CRISPR-discriminated Horizontal gene transfer, CATCH）”就是為了實現這一目的而設計的。 論文共同通訊作者、加州大學圣地亞哥分校生物科學學院教授Jeff Hasty說，“四年前我們開始研究這個項目時，我們甚至不確定用細菌作為哺乳動物DNA的傳感器是否可行。對胃腸道癌癥和癌前病變的檢測是應用這種方法的一個極具吸引力的臨床機會。” 眾所周知，腫瘤會將它們的DNA分散或脫落到周圍環境中。許多技術可以在實驗室中分析純化的DNA，但這些技術無法檢測DNA釋放的位置。在CATCH策略下，這些作者利用CRISPR技術對細菌進行基因改造，在基因組水平上檢測自由漂浮的DNA序列，并將這些DNA序列與預先確定的癌癥序列進行比較。 論文共同第一作者、加州大學圣地亞哥分校合成生物學研究所研究員Robert M. Cooper說，“許多細菌都能從它們的環境中攝取DNA，這種技能被稱為自然感受態（natural competence）。”Hasty、Cooper和論文共同通訊作者、南澳大利亞健康與醫學研究所的Dan Worthley合作提出了自然感受態與細菌和結直腸癌有關的想法，其中結直腸癌是美國癌癥相關死亡的第三大原因。 他們開始考慮是否有可能將結腸中已經普遍存在的細菌改造成當被部署在腸道中是能夠檢測結直腸腫瘤釋放的 DNA的新型生物傳感器。他們重點研究了貝氏不動桿菌（Acinetobacter baylyi）。Cooper在這種細菌中發現了攝取DNA和利用CRISPR分析它所需的成分。 Worthley說，“我們知道游離DNA可以作為信號或輸入加以利用，因此我們開始針對在疾病檢測的時間和地點對腫瘤DNA做出反應的細菌進行基因改造。” 這些作者對貝氏不動桿菌進行基因改造，將它們作為識別 KRAS的傳感器，其中KRAS是一個在很多癌癥中發生突變的基因。他們用一種CRISPR 系統對這種細菌進行了編程，以便讓它們能夠區分 KRAS 的突變拷貝和正常（非突變）拷貝。這意味著只有攝取了突變形式的KRAS（例如在癌前息肉和癌癥中發現的KRAS突變拷貝）的貝氏不動桿菌才能存活下來，對疾病發出信號或做出反應。
對細菌進行基因改造，使之可以檢測腫瘤DNA。圖片來自Science, 2023, doi:10.1126/science.adf3974。 這項新的研究基于以前與水平基因轉移（horizontal gene transfer）有關的想法，其中水平基因轉移是生物之間相互移動遺傳物質的一種方法，其方式有別于傳統的親代與后代之間的遺傳。雖然細菌與細菌之間的水平基因轉移廣為人知，但是這些作者實現了將這一概念從哺乳動物腫瘤和人類細胞應用到細菌中的目標。 Wright說，“當我在顯微鏡下看觀察到攝取了腫瘤DNA的貝氏不動桿菌時，我感到非常不可思議。患腫瘤的小鼠長出了綠色的細菌菌落，這些菌落獲得了在抗生素平板上生長的能力。” 這些作者目前正在調整他們的細菌生物傳感器策略，采用新的基因回路和不同類型的細菌來檢測和治療人類癌癥和感染。 論文共同通訊作者、南澳大利亞健康與醫學研究所的Susan L. Woods說，“對細菌進行基因改造來預防結直腸癌有很大的潛力。結直腸癌是一種沉浸在可以幫助或阻礙它進展的細菌流中的腫瘤。” 美國哥倫比亞大學副教授Siddhartha Mukherjee（未參與這項新的研究）表示，未來“治療和預防疾病的將是細胞，而不是藥片。一種可以檢測腸道中DNA 的活細菌是一個巨大的機會，可以作為哨兵尋找并消滅胃腸道癌癥和許多其他癌癥。” Hasty說，雖然這種新的方法還需要進一步開發和完善，但是他的團隊仍在繼續優化這種先進的生物傳感器策略。Worthley相信，“未來沒有人會死于結直腸癌。我們希望這項新的研究能對生物工程師、科學家以及未來的臨床醫生在追求這一目標的過程中有所幫助。”（生物谷 Bioon.com） 參考資料： 1. Robert M. Cooper et al. Engineered bacteria detect tumor DNA. Science, 2023, doi:10.1126/science.adf3974. 2. Researchers Engineer Bacteria That Can Detect Tumor DNA   |
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