Onderzoekers ontwikkelen bacteriën die tumor-DNA kunnen detecteren

Onderzoekers ontwikkelen bacteriën die tumor-DNA kunnen detecteren

Tijdstempel: 12 augustus 2023 6:52 uur
Bronknooppunt: 2820250
12 aug. 2023 (Nanowerk NieuwsWetenschappers van de Universiteit van Californië in San Diego en hun collega's in Australië zijn een nieuw hoofdstuk van technologisch geavanceerde biologische sensoren binnengegaan en hebben bacteriën ontwikkeld die de aanwezigheid van tumor-DNA in een levend organisme kunnen detecteren. Hun innovatie, waarmee kanker in de dikke darm van muizen werd gedetecteerd, zou de weg kunnen vrijmaken voor nieuwe biosensoren die verschillende infecties, kankers en andere ziekten kunnen identificeren. De vooruitgang wordt beschreven in het tijdschrift Wetenschap (“Gemanipuleerde bacteriën detecteren tumor-DNA”). Bacteriën zijn voorheen ontworpen om verschillende diagnostische en therapeutische functies uit te voeren, maar misten het vermogen om specifieke DNA-sequenties en mutaties buiten de cellen te identificeren. De nieuwe ‘Cellular Assay for Targeted CRISPR-discriminating Horizontal gene transfer’, oftewel ‘CATCH’, is precies daarvoor ontworpen. “Toen we vier jaar geleden aan dit project begonnen, wisten we niet eens zeker of het überhaupt mogelijk was om bacteriën als sensor voor het DNA van zoogdieren te gebruiken”, zegt wetenschappelijk teamleider Jeff Hasty, professor aan de UC San Diego School of Biological Sciences en Jacobs School voor Ingenieurswetenschappen. “De detectie van gastro-intestinale kankers en precancereuze laesies is een aantrekkelijke klinische kans om deze uitvinding toe te passen.” Het is bekend dat tumoren hun DNA verspreiden in de omgeving om hen heen. Veel technologieën kunnen gezuiverd DNA in het laboratorium analyseren, maar deze kunnen het DNA niet detecteren waar het vrijkomt. Onder de CATCH-strategie ontwikkelden de onderzoekers bacteriën met behulp van CRISPR-technologie om vrij zwevende DNA-sequenties op genomisch niveau te testen en die monsters te vergelijken met vooraf bepaalde kankersequenties.

[Ingesloten inhoud]

CATCH-technologie ontwikkelt cellen om celvrij DNA te detecteren en te onderscheiden. Dit kan van waarde zijn in klinische (kanker en infectie) en commerciële (ecologie, industriële) toepassingen – waar en wanneer dan ook, de detectie van DNA is waardevol. "Veel bacteriën kunnen DNA uit hun omgeving opnemen, een vaardigheid die bekend staat als natuurlijke competentie", zegt Rob Cooper, co-eerste auteur van het onderzoek en wetenschapper aan het Synthetic Biology Institute van UC San Diego. Hasty, Cooper en de Australische arts Dan Worthley werkten samen aan het idee van natuurlijke competentie in relatie tot bacteriën en colorectale kanker, de derde belangrijkste oorzaak van kankergerelateerde sterfgevallen in de Verenigde Staten. Ze begonnen de mogelijkheid te formuleren om bacteriën, die al veel voorkomen in de dikke darm, te ontwikkelen als nieuwe biosensoren die in de darmen kunnen worden ingezet om DNA te detecteren dat vrijkomt uit colorectale tumoren. Ze concentreerden zich op Acinetobacter baylyi, een bacterie waarin Cooper de elementen identificeerde die nodig zijn voor zowel het opnemen van DNA als het gebruiken van CRISPR om het te analyseren. “Wetende dat celvrij DNA kan worden gemobiliseerd als een signaal of als input, gingen we bacteriën ontwikkelen die zouden reageren op tumor-DNA op het moment en de plaats van ziektedetectie”, zegt Worthley, een gastro-enteroloog en kankeronderzoeker bij het Colonoscopiekliniek in Brisbane, Australië. In samenwerking met de Australische collega's Susan Woods en Josephine Wright hebben de onderzoekers ontworpen, gebouwd en getest Acinetobacter baylyi als sensor voor het identificeren van DNA uit KRAS, een gen dat bij veel kankers is gemuteerd. Ze programmeerden de bacterie met een CRISPR-systeem dat is ontworpen om mutanten te onderscheiden van normale (niet-gemuteerde) kopieën van KRAS. Dit betekent dat alleen bacteriën die mutante vormen van KRAS hadden opgenomen, zoals bijvoorbeeld aangetroffen in precancereuze poliepen en kankers, zouden overleven om de ziekte te signaleren of erop te reageren. Bacteriën Acinetobacter baylyi omringen klontjes colorectale kankercellen Zoals te zien is in een schaaltje, omringen de Acinetobacter baylyi (groene) bacteriën klontjes colorectale kankercellen. (Afbeelding: Josephine Wright) Het nieuwe onderzoek is gebaseerd op eerdere ideeën met betrekking tot horizontale genoverdracht, een techniek die door organismen wordt gebruikt om genetisch materiaal tussen elkaar te verplaatsen op een manier die verschilt van de traditionele genetische overerving van ouders op nakomelingen. Hoewel horizontale genoverdracht algemeen bekend is van bacteriën naar bacteriën, bereikten de onderzoekers hun doel door dit concept van zoogdiertumoren en menselijke cellen in bacteriën toe te passen. “Het was ongelooflijk toen ik de bacteriën zag die het tumor-DNA onder de microscoop hadden opgenomen. De muizen met tumoren groeiden groene bacteriekolonies op die het vermogen hadden gekregen om op antibioticaplaten te groeien”, aldus Wright. De onderzoekers passen nu hun bacteriebiosensorstrategie aan met nieuwe circuits en verschillende soorten bacteriën voor het detecteren en behandelen van menselijke kankers en infecties. "Er is zoveel potentieel om bacteriën te ontwikkelen om colorectale kanker te voorkomen, een tumor die is ondergedompeld in een stroom bacteriën, die de progressie ervan zou kunnen helpen of belemmeren", zegt Woods. Universitair hoofddocent Siddhartha Mukherjee van Columbia University, die niet bij het onderzoek betrokken was, gaf aan dat ziekten in de toekomst “zullen worden behandeld en voorkomen door cellen, niet door pillen. Een levende bacterie die DNA in de darmen kan detecteren, biedt een geweldige kans om als schildwacht te fungeren bij het opsporen en vernietigen van maag-darmkanker en vele andere kankersoorten.” Hoewel de nieuwe uitvinding verdere ontwikkeling en verfijning vereist, blijft het synthetische biologieteam van UC San Diego de geavanceerde biosensorstrategie optimaliseren, zei Hasty, die banden heeft met de afdeling Moleculaire Biologie van UC San Diego, Shu Chien-Gene Lay Department of Bioengineering en Instituut voor Synthetische Biologie. "Er is een toekomst waarin niemand hoeft te sterven aan colorectale kanker", meent Worthley. "We hopen dat dit werk nuttig zal zijn voor bio-ingenieurs, wetenschappers en, in de toekomst, clinici, bij het nastreven van dit doel."

Tijdstempel:

Meer van Nanowerk