Science：使用工程细菌检测肿瘤DNA

原文题目：Engineered bacteria detect tumor DNA

通讯作者:JEFF HASTY

隶属单位：Synthetic Biology Institute, University of California

DOI：10.1126/science.adf397

细菌工程允许开发活细胞诊断和治疗方法，包括对肠道炎症，肠道出血，病原体和缺氧肿瘤作出反应的微生物。细菌可以进入整个胃肠道，产生在粪便或尿液中测量的输出量。细胞记忆，如双稳态开关或基因组重排，使细菌能够随着时间的推移存储信息。一些细菌具有天然的转化能力，可以直接从环境中采样细胞外DNA。自然能力是水平基因转移（HGT）的一种机制，垂直之外的生物体之间的遗传物质交换，“父母到后代”的传播。HGT在微生物之间很常见。它也可能发生从微生物到动物和植物，相反的方向，从真核生物到原核生物。然而，尚未探索细菌通过HGT检测和响应哺乳动物DNA的正向工程。

Baylyi不动杆菌是一种高度称职且经过充分研究的细菌，在健康人类中基本上是非致病性的，可以在小鼠胃肠道定植，并从裂解的细胞中获得未纯化的环境DNA。我们用于靶向、CRISPR 判别水平基因转移 （CATCH） 策略的细胞检测提供细菌生物传感器来采样和基因组整合靶 DNA（图 1）。为了证明这一概念，我们使用生物传感器来检测工程肿瘤细胞。然后，我们开发了遗传回路来检测天然的，非工程化的肿瘤DNA序列，在单碱基水平上区分致癌突变。由于靶序列和输出基因是模块化的，我们的方法可以推广到检测任意DNA序列并以可编程方式做出反应。

图2.体外感应KRASG12D DNA

这里描述的传感器细菌表明，活的生物传感器可以检测肠道中CRC体内脱落的特定哺乳动物DNA，无需样品制备或处理。CATCH生物传感器不需要工程供体盒来检测，区分和报告目标序列，尽管最终的天然DNA生物传感器需要改进的信噪比才能可靠地检测整个基因组DNA中的序列。同源臂和CRISPR间隔条是模块化的，因此该策略可以很容易地用于检测和分析任意感兴趣的目标序列。

图3.在结直肠癌的体外和体内模型中检测来自BTRZI-KRAS-kanR类器官的供体DNA

我们的技术尚未准备好用于临床应用。这种方法需要进一步开发，以确保未来的版本，至少是那些设计用于胃肠道使用的版本，可以口服给药并达到足够的腔内密度，以便通过粪便或血液等无创采样进行可靠检测。随着技术向临床护理发展，与其他相关疾病特异性测试（例如，在这种情况下，结肠镜检查和体外核酸测定）相比，我们还需要更严格地评估CATCH的性能。需要进一步的生物工程来限制生物传感器逃避电路介导的细胞死亡的风险，并提高天然DNA检测的效率。随着我们技术的进步，仔细分析对于确保患者安全、最大限度地降低传播抗生素耐药性的风险以及满足生物防护问题至关重要。这些必要的后续步骤正在积极进行，并且随着CATCH应用于其他临床前模型并在人体试验之前非常重要。

图4.检测非工程DNA

体外DNA分析有助于检测和管理重要的人类疾病，包括癌症和感染。然而，体外传感需要潜在的侵入性样品去除，并且许多DNA诊断无法实现临床相关的序列分辨率，更先进的技术对于所有环境中的常规使用仍然过于昂贵。在体内直接对肠道进行取样可能具有重要优势。胃肠道含有明显的脱氧核糖核酸酶（DNase）活性，这限制了啮齿动物和人类中游离DNA的寿命，因此可能降低下游粪便样本的信息含量。位于原位的细菌生物传感器可以在DNA释放后不久捕获并保存DNA，然后被局部DNA酶降解。然而，也许CATCH最令人兴奋的方面是，与体外诊断不同，一旦捕获目标DNA，它可以与纳米抗体，肽或其他小分子的直接和基因型互补递送耦合，用于治疗癌症或感染。CATCH允许对无细胞DNA进行细胞检测，因此在未来的合成生物学应用中可能证明是有用的，无论何时何地，DNA检测和分析都很重要。

原文链接：10.1126/science.adf397

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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