دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو و همکارانشان در استرالیا با فشار دادن به فصل جدیدی از حسگرهای بیولوژیکی پیشرفته فناوری، باکتری هایی را مهندسی کردند که می توانند وجود DNA تومور را در یک موجود زنده تشخیص دهند.
نوآوری آنها که سرطان را در کولون موش ها شناسایی کرد، می تواند راه را برای حسگرهای زیستی جدید که قادر به شناسایی عفونت ها، سرطان ها و سایر بیماری ها هستند هموار کند.
این پیشرفت در 11 آگوست 2023 در مجله Science توضیح داده شده است . باکتری‌ها قبلاً برای انجام عملکردهای تشخیصی و درمانی مختلف طراحی شده بودند، اما فاقد توانایی شناسایی توالی‌های DNA و جهش‌های خاص خارج از سلول بودند. “آزمایش سلولی برای انتقال ژن افقی هدفمند با تمایز CRISPR” یا “CATCH” جدید برای انجام این کار طراحی شده است.
جف هستی، سرپرست تیم علمی، استاد دانشکده علوم زیستی دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو گفت: «همانطور که چهار سال پیش این پروژه را شروع کردیم، حتی مطمئن نبودیم که استفاده از باکتری به عنوان حسگر DNA پستانداران ممکن است یا نه. دانشکده مهندسی جاکوبز. “تشخیص سرطان های دستگاه گوارش و ضایعات پیش سرطانی یک فرصت بالینی جذاب برای به کارگیری این اختراع است.”
شناخته شده است که تومورها DNA خود را در محیط اطراف خود پراکنده یا می ریزند. بسیاری از فناوری‌ها می‌توانند DNA خالص شده را در آزمایشگاه تجزیه و تحلیل کنند، اما این فناوری‌ها نمی‌توانند DNA را در جایی که آزاد می‌شود شناسایی کنند. بر اساس استراتژی CATCH، محققان با استفاده از فناوری CRISPR، باکتری‌ها را برای آزمایش توالی‌های DNA شناور آزاد در سطح ژنومی و مقایسه آن نمونه‌ها با توالی‌های سرطانی از پیش تعیین‌شده، مهندسی کردند.
راب کوپر، نویسنده اول این مطالعه و دانشمند مؤسسه زیست شناسی مصنوعی دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو، می گوید: «بسیاری از باکتری ها می توانند DNA محیط خود را جذب کنند، مهارتی که به عنوان شایستگی طبیعی شناخته می شود. هاستی، کوپر و دکتر استرالیایی دن ورتلی بر روی ایده شایستگی طبیعی در رابطه با باکتری ها و سرطان روده بزرگ، سومین علت مرگ و میر ناشی از سرطان در ایالات متحده، همکاری کردند.
آنها شروع به فرموله کردن امکان مهندسی باکتری ها، که در حال حاضر در روده بزرگ وجود دارند، به عنوان حسگرهای زیستی جدیدی که می توانند در داخل روده مستقر شوند تا DNA آزاد شده از تومورهای کولورکتال را شناسایی کنند، کردند. آنها روی Acinetobacter baylyi تمرکز کردند ، باکتری که در آن کوپر عناصر لازم را برای گرفتن DNA و استفاده از CRISPR برای تجزیه و تحلیل آن شناسایی کرد.
ورتلی، متخصص گوارش و محقق سرطان، گفت: با علم به اینکه DNA بدون سلول را می توان به عنوان یک سیگنال یا ورودی بسیج کرد، ما به دنبال مهندسی باکتری هایی هستیم که به DNA تومور در زمان و مکان تشخیص بیماری پاسخ می دهند. کلینیک کولونوسکوپی در بریزبن، استرالیا.
محققان با همکاری همکاران استرالیایی سوزان وودز و ژوزفین رایت، Acinetobacter baylyi را به عنوان حسگری برای شناسایی DNA از KRAS، ژنی که در بسیاری از سرطان ها جهش یافته است، طراحی، ساختند و آزمایش کردند . آنها این باکتری را با سیستم CRISPR برنامه ریزی کردند که برای تمایز جهش یافته از نسخه های معمولی (غیر جهش یافته) KRAS طراحی شده بود. این بدان معنی است که تنها باکتری هایی که اشکال جهش یافته KRAS را گرفته اند، به عنوان مثال در پولیپ های پیش سرطانی و سرطان ها، برای سیگنال دادن یا پاسخ به بیماری زنده می مانند.
پژوهش جدید مبتنی بر ایده‌های قبلی مربوط به انتقال افقی ژن است، تکنیکی که موجودات زنده برای جابجایی مواد ژنتیکی بین یکدیگر به روشی متمایز از وراثت ژنتیکی سنتی از والدین به فرزندان استفاده می‌کنند. در حالی که انتقال افقی ژن به طور گسترده ای از باکتری به باکتری شناخته شده است، محققان به هدف خود در استفاده از این مفهوم از تومورهای پستانداران و سلول های انسانی در باکتری ها دست یافتند.
رایت می‌گوید: “وقتی باکتری‌هایی را که DNA تومور را در زیر میکروسکوپ جذب کرده بودند، باور نکردنی بود. موش‌های مبتلا به تومور، کلنی‌های باکتریایی سبز رنگی را پرورش دادند که توانایی رشد در صفحات آنتی‌بیوتیک را به دست آورده بودند.”
محققان اکنون در حال تطبیق استراتژی زیست حسگر باکتریایی خود با مدارهای جدید و انواع مختلف باکتری برای تشخیص و درمان سرطان ها و عفونت های انسانی هستند.
وودز می‌گوید: «پتانسیل زیادی برای مهندسی باکتری‌ها برای جلوگیری از سرطان کولورکتال وجود دارد، توموری که در جریانی از باکتری‌ها غوطه‌ور است و می‌تواند به پیشرفت آن کمک کند یا مانع پیشرفت آن شود».
استادیار سیذارتا موکرجی از دانشگاه کلمبیا، که در این مطالعه شرکت نداشت، اظهار داشت که در آینده، “بیماری توسط سلول‌ها درمان و پیشگیری خواهد شد، نه قرص‌ها. یک باکتری زنده که می‌تواند DNA را در روده تشخیص دهد، فرصت فوق‌العاده‌ای است. به عنوان یک نگهبان برای جستجو و از بین بردن سرطان های دستگاه گوارش و بسیاری دیگر از سرطان ها عمل کنید.”
هاستی که دارای وابستگی به دپارتمان بیولوژی مولکولی UC San Diego، دپارتمان مهندسی زیستی شو Chien-Gene Lay است، گفت: در حالی که اختراع جدید نیاز به توسعه و اصلاح بیشتری دارد، تیم زیست شناسی مصنوعی در UC San Diego به بهینه سازی استراتژی پیشرفته حسگر زیستی ادامه می دهد. موسسه زیست شناسی مصنوعی.
ورتلی معتقد است: “آینده ای وجود دارد که در آن هیچ کس نیازی به مرگ بر اثر سرطان کولورکتال ندارد.” ما امیدواریم که این کار برای مهندسین زیستی، دانشمندان و در آینده، پزشکان برای دستیابی به این هدف مفید باشد.»
نویسندگان همکار مقاله علمی عبارتند از: رابرت کوپر، ژوزفین رایت، جیا نگ، جراد گوین، نوبومی سوزوکی، یانگ لی، ماری ایچینوز، جورجت رادفورد، فیرگال رایان، شالنی کومار، الین توماس، لورا ورباناک، راب نایت، سوزان وودز، دنیل ورتلی و جف هستی.
مواد ارائه شده توسط دانشگاه کالیفرنیا – سن دیگو . نوشته اصلی توسط ماریو آگیلرا
