加州大学圣地亚哥分校的科学家和他们在澳大利亚的同事们开创了技术先进的生物传感器的新篇章，他们改造了细菌，可以检测活体生物体中肿瘤DNA 的存在。

他们的创新检测了小鼠结肠中的癌症，可能为能够识别各种感染、癌症和其他疾病的新型生物传感器铺平道路。

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2023 年 8 月 11 日， 《科学》杂志描述了这一进展。细菌以前被设计用来执行各种诊断和治疗功能，但缺乏识别细胞外特定 DNA 序列和突变的能力。新的“靶向 CRISPR 区分水平基因转移的细胞测定”(或“CATCH”)就是为了实现这一目标而设计的。

“当我们四年前开始这个项目时，我们甚至不确定使用细菌作为哺乳动物 DNA 的传感器是否可能，”科学团队负责人、加州大学圣地亚哥分校生物科学学院教授杰夫·哈斯蒂 (Jeff Hasty) 说。雅各布斯工程学院。“胃肠癌和癌前病变的检测是应用本发明的一个有吸引力的临床机会。”

众所周知，肿瘤会将其 DNA 分散或脱落到周围的环境中。许多技术可以在实验室中分析纯化的 DNA，但这些技术无法检测释放的 DNA。根据 CATCH 策略，研究人员使用 CRISPR 技术改造细菌，在基因组水平上测试自由浮动的 DNA 序列，并将这些样本与预定的癌症序列进行比较(参见视频)。

“许多细菌可以从环境中获取 DNA，这种技能被称为自然能力，”该研究的共同第一作者、加州大学圣地亚哥分校合成生物学研究所的科学家 Rob Cooper 说。哈斯蒂、库珀和澳大利亚医生丹·沃思利合作提出了与细菌和结直肠癌相关的自然能力的想法，结直肠癌是癌症相关死亡的第三大原因。

他们开始设想将结肠中已经普遍存在的细菌工程化为新的生物传感器，可以部署在肠道内来检测结直肠肿瘤释放的 DNA。他们的重点是贝氏不动杆菌，库珀在这种细菌中鉴定出了吸收 DNA 并使用 CRISPR 分析 DNA 所必需的元素。

“我们知道游离 DNA 可以作为信号或输入来动员，因此我们开始设计能够在疾病检测的时间和地点对肿瘤 DNA 做出反应的细菌，”胃肠病学家和癌症研究人员沃思利说。澳大利亚布里斯班的结肠镜检查诊所。

研究人员与澳大利亚同事 Susan Woods 和 Josephine Wright 合作，设计、构建并测试了贝氏不动杆菌作为传感器，用于识别 KRAS 的 DNA，KRAS 是一种在许多癌症中发生突变的基因。他们用 CRISPR 系统对细菌进行了编程，该系统旨在区分 KRAS 的突变体和正常(非突变)拷贝。这意味着只有具有 KRAS 突变形式的细菌(例如在癌前息肉和癌症中发现的情况)才能存活下来，发出疾病信号或对疾病做出反应。

这项新研究基于先前与水平基因转移相关的想法，水平基因转移是一种生物体用来以不同于传统亲代遗传遗传的方式在彼此之间转移遗传物质的技术。虽然从细菌到细菌的水平基因转移已广为人知，但研究人员实现了将这一概念从哺乳动物肿瘤和人类细胞应用到细菌中的目标。

“当我在显微镜下看到吸收肿瘤 DNA 的细菌时，我感到难以置信。患有肿瘤的小鼠长出了绿色细菌菌落，这些菌落具有在抗生素平板上生长的能力，”赖特说。

研究人员现在正在利用新电路和不同类型的细菌来调整他们的细菌生物传感器策略，以检测和治疗人类癌症和感染。

伍兹说：“改造细菌来预防结直肠癌有很大的潜力，结直肠癌是一种沉浸在细菌流中的肿瘤，可以帮助或阻碍其进展。”

未参与这项研究的哥伦比亚大学副教授 Siddhartha Mukherjee 表示，未来“疾病将通过细胞而不是药物来治疗和预防。能够检测肠道 DNA 的活细菌是一个巨大的机会，可以充当寻找和消灭胃肠道癌症和许多其他癌症的哨兵。”

Hasty 表示，虽然新发明需要进一步开发和完善，但加州大学圣地亚哥分校的合成生物学团队仍在继续优化先进的生物传感器策略。合成生物学研究所。