AGI - Una nuova frontiera nel campo dei biosensori avanzati è quella raggiunta dai ricercatori dell’Università della California a San Diego e dei loro colleghi in Australia: hanno creato batteri capaci di individuare la presenza di DNA tumorale in un organismo vivente. La loro innovazione, che ha rilevato il cancro nei topi, potrebbe aprire la strada a nuovi biosensori capaci di individuare varie infezioni, tumori e altre malattie. I risultati di questa ricerca, descritti sulla rivista Science, segnano un passo avanti importante.
In passato, erano stati progettati batteri per svolgere diverse funzioni diagnostiche e terapeutiche, ma mancavano della capacità di identificare sequenze specifiche di DNA e mutazioni al di fuori delle cellule. Il nuovo “Cellular Assay for Targeted CRISPR-discriminated Horizontal gene transfer,” o “CATCH,” è stato creato appositamente per questo scopo.
“Quando abbiamo iniziato questo progetto quattro anni fa, non eravamo nemmeno sicuri che l’uso dei batteri come sensori per il DNA di mammifero fosse possibile,” ha detto il capo del team scientifico Jeff Hasty, professore presso la Scuola di Scienze Biologiche dell’UC San Diego e la Scuola di Ingegneria Jacobs.
“La rilevazione dei tumori gastrointestinali e delle lesioni precancerose è un’opportunità clinica interessante per applicare questa invenzione.” È noto che i tumori rilasciano il loro DNA nell’ambiente circostante. Molte tecnologie possono analizzare il DNA purificato in laboratorio, ma non riescono a rilevare il DNA rilasciato nell’ambiente. Con la strategia CATCH, i ricercatori hanno progettato batteri utilizzando la tecnologia CRISPR per testare sequenze di DNA in circolazione a livello genomico e confrontare tali campioni con sequenze di cancro predefinite.
“I molti batteri possono assorbire il DNA dal loro ambiente, una capacità nota come competenza naturale,” ha spiegato Rob Cooper, co-primo autore dello studio e scienziato presso l’Istituto di Biologia Sintetica dell’UC San Diego.
Cooper, insieme al dottor Dan Worthley dell’Australia, ha collaborato all’idea della competenza naturale dei batteri e il cancro al colon, la terza causa di morte correlata al cancro negli Stati Uniti. Hanno iniziato a formulare la possibilità di creare batteri, già presenti nel colon, come nuovi biosensori che potrebbero essere inseriti nell’intestino per rilevare il DNA rilasciato dai tumori del colon. Si sono concentrati su Acinetobacter baylyi, un batterio in cui Cooper ha identificato gli elementi necessari sia per assorbire il DNA che per usarlo con la tecnologia CRISPR.
“Sapendo che il DNA libero può essere utilizzato come segnale o input, abbiamo deciso di progettare batteri che rispondessero al DNA tumorale al momento e nel luogo della rilevazione della malattia,” ha detto Worthley, un gastroenterologo e ricercatore sul cancro presso la Colonoscopy Clinic di Brisbane, in Australia. In collaborazione con i colleghi australiani Susan Woods e Josephine Wright, i ricercatori hanno progettato, costruito e testato Acinetobacter baylyi come sensore per identificare il DNA di KRAS, un gene mutato in molti tumori.
Hanno programmato il batterio con un sistema CRISPR progettato per discriminare le copie mutate di KRAS dalle copie normali (non mutate). Ciò significa che solo i batteri che avevano assorbito le forme mutate di KRAS, come nei polipi precancerosi e nei tumori, sarebbero sopravvissuti per segnalare o rispondere alla malattia.
Questa nuova ricerca si basa su idee precedenti legate al trasferimento orizzontale dei geni, una tecnica utilizzata dagli organismi per spostare materiale genetico tra di loro in modo diverso dall’eredità genetica tradizionale da genitori a figli. Mentre il trasferimento orizzontale dei geni è ampiamente noto tra i batteri, i ricercatori hanno raggiunto il loro obiettivo di applicare questo concetto dai tumori dei mammiferi e dalle cellule umane ai batteri.
“È stato incredibile quando ho visto i batteri che avevano assorbito il DNA tumorale al microscopio. I topi con i tumori hanno sviluppato colonie batteriche verdi che avevano acquisito la capacità di crescere su piastre antibiotiche,” ha detto Wright. I ricercatori stanno ora adattando la loro strategia di biosensori batterici con nuovi circuiti e diversi tipi di batteri per rilevare e trattare tumori umani e infezioni. “Vi è un grande potenziale nel creare batteri per prevenire il cancro al colon, un tumore immerso in un flusso di batteri che potrebbero aiutare o ostacolare la sua progressione,” ha affermato Woods.
Il professore associato Siddhartha Mukherjee dell’Università di Columbia, non coinvolto nello studio, ha indicato che in futuro “le malattie saranno trattate e prevenute dalle cellule, non dalle pillole. Un batterio vivente che può rilevare il DNA nell’intestino è una grande opportunità per agire come sentinella per individuare e distruggere tumori gastrointestinali e molti altri tipi di cancro.”
Sebbene questa nuova invenzione richieda ulteriori sviluppi e perfezionamenti, il team di biologia sintetica dell’UC San Diego continua a ottimizzare la strategia avanzata dei biosensori, ha affermato Hasty, affiliato al Dipartimento di Biologia Molecolare, il Dipartimento di Bioingegneria Shu Chien-Gene Lay e l’Istituto di Biologia Sintetica dell’UC San Diego.