Bacterias modificadas que pueden detectar ADN tumoral
Publicado originalmente por la Universidad de California San Diego, el 10 de agosto de 2023
Entrando en un nuevo capítulo de sensores biológicos tecnológicamente avanzados, científicos de la Universidad de California en San Diego y sus colegas en Australia han diseñado bacterias que pueden detectar la presencia de ADN tumoral en un organismo vivo.
Una innovación significativa, que fue capaz de detectar cáncer de colon en ratones, y que podría allanar el camino a nuevos biosensores capaces de identificar diversas infecciones, cánceres y otras enfermedades.
El avance se describe en la revista Science. Hasta ahora, las bacterias habían sido diseñadas para llevar a cabo diversas funciones diagnósticas y terapéuticas, pero carecían de la capacidad de identificar secuencias específicas de ADN y mutaciones fuera de las células. El nuevo "Ensayo celular para la transferencia horizontal discriminada de genes, utilizando el editor genético CRISPR" o "CATCH" (por sus siglas en inglés), fue diseñado para hacer precisamente eso.
"Cuando comenzamos este proyecto hace cuatro años, ni siquiera estábamos seguros de si el uso de bacterias como sensor de ADN era posible en mamíferos ", explicaba el líder del equipo científico Jeff Hasty, profesor de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de California en San Diego y la Escuela de Ingeniería Jacobs. "La detección de cánceres gastrointestinales y lesiones precancerosas es una oportunidad clínica atractiva para aplicar esta invención".
Se sabe que los tumores dispersan o expulsan su ADN en los entornos que los rodean. Muchas tecnologías pueden analizar el ADN purificado en el laboratorio, pero no pueden detectar el ADN donde se libera. Bajo la estrategia CATCH, los investigadores diseñaron bacterias utilizando la tecnología CRISPR para probar secuencias de ADN flotantes a nivel genómico y comparar esas muestras con secuencias de cáncer predeterminadas.
La tecnología CATCH diseña células capaces de detectar y discriminar ADN liberado en las células. Una herramienta que puede tener importantes aplicaciones clínicas (cáncer e infección) y comerciales (ecología, industrial): donde y cuando sea, la detección de ADN pude resultar muy valiosa. Crédito: Cooper et al 2023 y Animate Your Science
"Muchas bacterias pueden absorber ADN de su entorno, una habilidad conocida como competencia natural", dijo Rob Cooper, coautor del estudio y científico del Instituto de Biología Sintética de UC San Diego. Hasty, Cooper y el médico australiano Dan Worthley colaboraron en la idea de la competencia natural en relación con las bacterias y el cáncer colorrectal, la tercera causa principal de muerte relacionada con el cáncer en los Estados Unidos.
Comenzaron a formular la posibilidad de diseñar bacterias, ya prevalentes en el colon, como nuevos biosensores que podrían desplegarse dentro del intestino para detectar el ADN liberado por los tumores colorrectales. Se centraron en Acinetobacter baylyi, una bacteria en la que Cooper identificó los elementos necesarios tanto para tomar ADN del entorno, como para usar CRISPR para su análisis.
"Sabiendo que el ADN libre de células se puede activar por una señal o por una entrada, nos propusimos diseñar bacterias que responderían al ADN tumoral en el momento y lugar de detección de la enfermedad", dijo Worthley, gastroenterólogo e investigador experto en cáncer de la Clínica de Colonoscopia de Brisbane, Australia.
Junto con sus colegas australianas Susan Woods y Josephine Wright, diseñaron, construyeron y probaron Acinetobacter baylyi como un sensor para identificar el ADN de KRAS, un gen que está mutado en muchos cánceres. Programaron la bacteria con un sistema CRISPR diseñado para discriminar copias mutantes de copias normales (no mutadas) de KRAS. Esto significa que solo las bacterias que habían tomado formas mutantes de KRAS, tal como se encuentran en los pólipos precancerosos y cánceres, por ejemplo, sobrevivirían para señalar o reaccionar a la enfermedad.
La nueva investigación se basa en ideas previas relacionadas con la transferencia horizontal de genes, una técnica utilizada por los organismos para mover material genético entre sí de una manera distinta de la herencia genética tradicional de padres a hijos. Si bien la transferencia horizontal de genes es ampliamente conocida de bacterias a bacterias, los investigadores lograron su objetivo de aplicar este concepto de transferencia de genes desde tumores de mamíferos y células humanas a bacterias.
"Fue increíble cuando vi las bacterias que habían absorbido el ADN tumoral bajo el microscopio. En los ratones con tumores crecieron colonias bacterianas verdes que habían adquirido la capacidad de crecer en placas de antibióticos", dijo Wright.
Los investigadores ahora están adaptando su estrategia de biosensores de bacterias con nuevos circuitos y diferentes tipos de bacterias para detectar y tratar cánceres e infecciones humanas.
"Hay mucho potencial en el diseño de bacterias capaces de prevenir el cáncer colorrectal, un tumor inmerso en una corriente de bacterias, que podría ayudar u obstaculizar su progresión", dijo Woods.
El profesor asociado Siddhartha Mukherjee de la Universidad de Columbia, que no participó en el estudio, indicó que, en el futuro, "se utilizarán células para prevenir y tratar enfermedades, no píldoras. Una bacteria viva que puede detectar ADN en el intestino es una tremenda oportunidad para actuar como un centinela capaz de buscar y destruir cánceres gastrointestinales y muchos otros".
“Si bien la nueva invención requiere un mayor desarrollo y refinamiento, el equipo de biología sintética de UC San Diego continúa optimizando la estrategia avanzada de biosensores”, declaraba Hasty, que mantiene una relación de colaboración con el Departamento de Biología Molecular de UC San Diego, el Departamento de Bioingeniería Shu Chien-Gene Lay y el Instituto de Biología Sintética.
"Hay un futuro en el que nadie tendrá porqué morir de cáncer colorrectal", cree Worthley. "Esperamos que este trabajo sea útil para bioingenieros, científicos y, en el futuro, médicos, en la búsqueda de este objetivo".
Más información: Robert M. Cooper et al, Engineered bacteria detect tumor DNA, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adf3974. www.science.org/doi/10.1126/science.adf3974
Información de la revista: Science
Operado por la Universidad de California, San Diego
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