一种名为巴氏不动杆菌（Acinetobacter baylyi）的细菌通常是非致病性的，而且天生就能通过水平基因转移摄取周围环境中的DNA。在一项新的研究中，来自美国加州大学圣地亚哥分校、澳大利亚南澳大利亚健康与医学研究所和阿德莱德大学的研究人员利用这一特性，对这种细菌进行了基因改造，只有当它们摄取了含有特定癌基因（比如KRAS）中癌症相关突变的DNA，而不是野生型对应DNA时，它们才会对特定抗生素药物产生抗药性。这种经过基因改造的细菌在体外培养的携带相关突变的细胞中检测到它们的靶标，而且在直肠灌肠给送后，在携带相关突变肿瘤的结直肠癌小鼠模型中，观察到了从肿瘤到这种细菌的水平基因转移，这使得这种细菌检测到了它们的靶标，这将为开发能够识别各种感染、癌症和其他疾病的新型生物传感器铺平道路。相关研究结果发表在2023年8月11日的Science期刊上，论文标题为“Engineered bacteria detect tumor DNA”。
细菌以前经过基因改造后用于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。在这项新的研究中，他们开发出的“靶向CRISPR识别水平基因转移的细胞检测（Cellular Assay for Targeted CRISPR-discriminated Horizontal gene transfer, CATCH）”就是为了实现这一目的而设计的。
论文共同通讯作者、加州大学圣地亚哥分校生物科学学院教授Jeff Hasty说，“四年前我们开始研究这个项目时，我们甚至不确定用细菌作为哺乳动物DNA的传感器是否可行。对胃肠道癌症和癌前病变的检测是应用这种方法的一个极具吸引力的临床机会。”
众所周知，肿瘤会将它们的DNA分散或脱落到周围环境中。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DNA释放的位置。在CATCH策略下，这些作者利用CRISPR技术对细菌进行基因改造，在基因组水平上检测自由漂浮的DNA序列，并将这些DNA序列与预先确定的癌症序列进行比较。
论文共同第一作者、加州大学圣地亚哥分校合成生物学研究所研究员Robert M. Cooper说，“许多细菌都能从它们的环境中摄取DNA，这种技能被称为自然感受态（natural competence）。”Hasty、Cooper和论文共同通讯作者、南澳大利亚健康与医学研究所的Dan Worthley合作提出了自然感受态与细菌和结直肠癌有关的想法，其中结直肠癌是美国癌症相关死亡的第三大原因。
他们开始考虑是否有可能将结肠中已经普遍存在的细菌改造成当被部署在肠道中是能够检测结直肠肿瘤释放的 DNA的新型生物传感器。他们重点研究了贝氏不动杆菌（Acinetobacter baylyi）。Cooper在这种细菌中发现了摄取DNA和利用CRISPR分析它所需的成分。
Worthley说，“我们知道游离DNA可以作为信号或输入加以利用，因此我们开始针对在疾病检测的时间和地点对肿瘤DNA做出反应的细菌进行基因改造。”
这些作者对贝氏不动杆菌进行基因改造，将它们作为识别 KRAS的传感器，其中KRAS是一个在很多癌症中发生突变的基因。他们用一种CRISPR 系统对这种细菌进行了编程，以便让它们能够区分 KRAS 的突变拷贝和正常（非突变）拷贝。这意味着只有摄取了突变形式的KRAS（例如在癌前息肉和癌症中发现的KRAS突变拷贝）的贝氏不动杆菌才能存活下来，对疾病发出信号或做出反应。
对细菌进行基因改造，使之可以检测肿瘤DNA。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.adf3974。
这项新的研究基于以前与水平基因转移（horizontal gene transfer）有关的想法，其中水平基因转移是生物之间相互移动遗传物质的一种方法，其方式有别于传统的亲代与后代之间的遗传。虽然细菌与细菌之间的水平基因转移广为人知，但是这些作者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。
Wright说，“当我在显微镜下看观察到摄取了肿瘤DNA的贝氏不动杆菌时，我感到非常不可思议。患肿瘤的小鼠长出了绿色的细菌菌落，这些菌落获得了在抗生素平板上生长的能力。”
这些作者目前正在调整他们的细菌生物传感器策略，采用新的基因回路和不同类型的细菌来检测和治疗人类癌症和感染。
论文共同通讯作者、南澳大利亚健康与医学研究所的Susan L. Woods说，“对细菌进行基因改造来预防结直肠癌有很大的潜力。结直肠癌是一种沉浸在可以帮助或阻碍它进展的细菌流中的肿瘤。”
美国哥伦比亚大学副教授Siddhartha Mukherjee（未参与这项新的研究）表示，未来“治疗和预防疾病的将是细胞，而不是药片。一种可以检测肠道中DNA 的活细菌是一个巨大的机会，可以作为哨兵寻找并消灭胃肠道癌症和许多其他癌症。”
Hasty说，虽然这种新的方法还需要进一步开发和完善，但是他的团队仍在继续优化这种先进的生物传感器策略。Worthley相信，“未来没有人会死于结直肠癌。我们希望这项新的研究能对生物工程师、科学家以及未来的临床医生在追求这一目标的过程中有所帮助。”
参考资料：
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
https://today.ucsd.edu/story/researchers-engineer-bacteria-that-can-detect-tumor-dna
