加州大学圣地亚哥分校的科学家们与澳大利亚同行合作，推出了一个生物传感器的新纪元。他们创造了一种能够在活体中识别肿瘤DNA的细菌。

　　这种发明能够在小鼠的结肠中检测到癌症，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奠定了基础。

　　这一突破性研究发表在《科学》杂志上。细菌此前已被设计用于多种诊断和治疗功能，但缺乏识别细胞外特定DNA序列和突变的能力。新的“靶向CRISPR识别水平基因转移的细胞试验”或“CATCH”正是为了解决这一问题而设计的。

　　“四年前我们开始这个项目时，我们甚至不确定细菌是否能作为哺乳动物DNA的传感器，”加州大学圣地亚哥分校生物科学学院和雅各布斯工程学院的教授杰夫·哈斯蒂说。“胃肠道癌症和癌前病变的检测是这项发明的重要临床应用。”

　　众所周知，肿瘤会将其DNA释放到周围环境中。许多技术可以在实验室中分析纯化的DNA，但无法确定DNA释放的位置。通过CATCH策略，研究人员利用CRISPR技术改造细菌，使其能够在基因组水平上检测自由漂浮的DNA，并与预先确定的癌症序列进行比对。

　　“许多细菌具有从环境中吸收DNA的自然能力，”加州大学圣地亚哥分校合成生物学研究所的科学家罗布·库珀说。哈斯蒂、库珀和澳大利亚医生丹·沃斯利共同研究了这种自然能力与细菌及结直肠癌之间的关系，结直肠癌是美国癌症相关死亡的第三大原因。

　　他们开始设想将已经存在于结肠中的工程细菌作为新的生物传感器，这种传感器可以在肠道内部署，检测结直肠肿瘤释放的DNA。他们选择了贝氏不动杆菌(Acinetobacter baylyi)，因为库珀在这种细菌中发现了吸收DNA和使用CRISPR分析DNA所需的元素。

　　澳大利亚布里斯班结肠镜诊所的胃肠病学家和癌症研究员沃斯利说：“知道无细胞DNA可以作为信号或输入，我们开始设计细菌，使其在疾病检测的时间和地点对肿瘤DNA做出反应。”

　　研究人员与澳大利亚同事苏珊·伍兹和约瑟芬·赖特合作，设计、制造并测试了贝氏不动杆菌作为一种传感器，用于识别KRAS基因的DNA。KRAS基因在许多癌症中会发生突变。他们用CRISPR系统对细菌进行了编程，该系统旨在区分KRAS的正常(非突变)拷贝和突变拷贝。这意味着只有在癌前息肉和癌症中发现的KRAS突变形式的细菌才能存活下来，发出信号或对疾病做出反应。

　　这项新研究基于先前关于水平基因转移的概念，水平基因转移是一种生物体之间移动遗传物质的技术，其方式不同于传统的亲代遗传。虽然细菌之间的水平基因转移已被广泛研究，但研究人员成功地将这一概念应用于哺乳动物肿瘤和人类细胞中的细菌。

　　“当我在显微镜下看到吸收肿瘤DNA的细菌时，真是难以置信。有肿瘤的老鼠长出了绿色的细菌菌落，这些菌落已经获得了在抗生素培养皿上生长的能力，”赖特说。

　　研究人员现在正在调整他们的细菌生物传感器策略，使用新的电路和不同类型的细菌，以检测和治疗人类癌症和感染。

　　伍兹说：“设计细菌来预防结直肠癌有很大的潜力。结直肠癌是一种沉浸在细菌流中的肿瘤，可以帮助或阻碍其发展。”

　　未参与此项研究的哥伦比亚大学副教授悉达多·慕克吉指出，在未来，“疾病将通过细胞而不是药物来治疗和预防。”一种能够检测肠道DNA的活细菌是一个巨大的机会，可以充当哨兵，寻找并摧毁胃肠道和许多其他癌症。”

　　海斯蒂说，虽然这项新发明需要进一步发展和完善，但加州大学圣地亚哥分校的合成生物学团队仍在继续优化先进的生物传感器策略。海斯蒂隶属于加州大学圣地亚哥分校的分子生物系、生物工程系和合成生物学研究所。