Scienziati dell’Università della California di San Diego e i loro colleghi in Australia entrando in un nuovo capitolo di sensori biologici tecnologicamente avanzati, hanno ingegnerizzato batteri in grado di rilevare la presenza di DNA tumorale in un organismo vivo. La loro innovazione, che ha rilevato il cancro nel colon dei topi, è stata pubblicata nella rivista Science, potrebbe aprire la strada a nuovi biosensori in grado di identificare varie infezioni, tumori e altre malattie.
I batteri in precedenza erano stati progettati per svolgere varie funzioni diagnostiche e terapeutiche, ma non avevano la capacità di identificare specifiche sequenze di DNA e mutazioni al di fuori delle cellule. Il nuovo “Cellular Assay for Targeted CRISPR-discriminated Horizontal gene transfer” o “CATCH” è stato progettato per fare proprio questo.
Jeff Hasty professore presso UC San Diego School of Biological Sciences and Jacobs School of Engineering, ha guidato il team scientifico, ha affermato:
«Quando abbiamo iniziato questo progetto quattro anni fa, non eravamo nemmeno sicuri che fosse possibile utilizzare i batteri come sensore per il DNA dei mammiferi. L’individuazione di tumori gastrointestinali e lesioni precancerose è un’interessante opportunità clinica per applicare questa invenzione».
È noto che i tumori disperdono, o versano, il loro DNA negli ambienti che li circondano, molte tecnologie possono analizzare il DNA purificato in laboratorio, ma queste non sono in grado di rilevare dove il DNA viene rilasciato.
Il team di ricercatori nell’ambito della strategia CATCH, hanno ingegnerizzato batteri utilizzando la tecnologia CRISPR per testare sequenze di DNA fluttuanti a livello genomico e confrontare quei campioni con sequenze tumorali predeterminate (vedi video).
Rob Cooper scienziato presso il Synthetic Biology Institute UC San Diego, co-autore dello studio ha affermato: «Molti batteri possono assorbire il DNA dal loro ambiente, un’abilità nota come competenza naturale».
Jeff Hasty, Rob Cooper e il medico australiano Dan Worthley hanno collaborato all’idea della competenza naturale in relazione ai batteri e al cancro del colon-retto, la terza causa di morte correlata al cancro negli Stati Uniti. Hanno iniziato a formulare la possibilità di ingegnerizzare i batteri, che sono già prevalenti nel colon, come nuovi biosensori che potrebbero essere distribuiti all’interno dell’intestino per rilevare il DNA rilasciato dai tumori del colon-retto. Si sono concentrati su Acinetobacter baylyi, un batterio in cui Rob Cooper ha identificato gli elementi necessari per prelevare il DNA sia per utilizzare CRISPR sia per analizzarlo.
Dan Worthley gastroenterologo e ricercatore sul cancro presso la Colonoscopy Clinic a Brisbane in Australia, ha affermato:
«Sapendo che il DNA privo di cellule può essere mobilitato come segnale o input, abbiamo deciso di progettare batteri che rispondessero al DNA tumorale al momento e nel luogo del rilevamento della malattia».
Il team di ricercatori lavorando con i colleghi australiani Susan Woods e Josephine Wright, hanno progettato, costruito e testato il batterio Acinetobacter baylyi come sensore per identificare il DNA di KRAS, un gene che è mutato in molti tipi di cancro. Hanno programmato il batterio con un sistema CRISPR progettato per discriminare le copie mutanti da quelle normali (non mutate) di KRAS. Ciò significa che solo i batteri che hanno assunto forme mutanti di KRAS, come quelli che si trovano ad esempio nei polipi precancerosi e nei tumori, sopravvivrebbero per segnalare o rispondere alla malattia.
La nuova ricerca si basa su idee precedenti relative al trasferimento genico orizzontale, una tecnica utilizzata dagli organismi per spostare materiale genetico tra loro in un modo distinto dall’eredità genetica tradizionale da genitore a prole. I ricercatori mentre il trasferimento genico orizzontale è ampiamente noto dai batteri ai batteri, hanno raggiunto il loro obiettivo di applicare questo concetto dai tumori dei mammiferi e dalle cellule umane ai batteri.
Josephine Wright ha affermato:
«È stato incredibile quando ho visto al microscopio i batteri che avevano assorbito il DNA del tumore. I topi con tumori hanno sviluppato colonie batteriche verdi che avevano acquisito la capacità di crescere su piastre antibiotiche».
I ricercatori stanno ora adattando la loro strategia di biosensori batterici con nuovi circuiti e diversi tipi di batteri per rilevare e trattare tumori e infezioni umani.
Susan Woods ha affermato:
«C’è così tanto potenziale per ingegnerizzare i batteri per prevenire il cancro del colon-retto, un tumore che è immerso in un flusso di batteri, che potrebbe aiutare o ostacolare la sua progressione».
Siddhartha Mukherjee professore associato della Columbia University, non è stato coinvolto nello studio, ha affermato:
«In futuro le malattie saranno curate e prevenute dalle cellule, non dalle pillole. Un batterio vivente in grado di rilevare il DNA nell’intestino è un’enorme opportunità per agire come una sentinella per cercare e distruggere il cancro gastrointestinale e molti altri».
Jeff Hasty detiene affiliazioni con il Dipartimento di biologia molecolare dell’UC San Diego, il Dipartimento di bioingegneria Shu Chien-Gene Lay e Istituto di biologia sintetica, ha affermato:
«La nuova invenzione mentre richiede ulteriore sviluppo e perfezionamento, il team di biologia sintetica dell’UC San Diego continua a ottimizzare la strategia avanzata del biosensore».
Daniel Worthley in conclusione ha detto:
«C’è un futuro in cui nessuno dovrà morire di cancro del colon-retto, nel perseguimento di questo obiettivo, speriamo che questo lavoro sia utile a bioingegneri, scienziati e, in futuro, ai medici».
