I ricercatori dell’Università della California a San Diego e dei loro colleghi in Australia hanno realizzato uno studio innovativo nel campo dei biosensori avanzati: si tratta di batteri in grado di individuare la presenza di DNA tumorale in un organismo vivente. Grazie alla loro invenzione sono stati in grado di diagnosticare il cancro nei topi. I risultati di questa ricerca potrebbero portare all’invenzione di biosensori capaci di individuare varie infezioni, tumori e altre malattie.
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. Le conclusioni di questo studio sono state pubblicate sulla rivista Science. In passato, erano stati progettati batteri per svolgere diverse funzioni diagnostiche e terapeutiche. Tuttavia, non erano in grado 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 sviluppato per sopperire a questa mancanza degli studi condotti in precedenza.
La scoperta dei nuovi batteri in grado di individuare il DNA tumorale
Il capo del team scientifico Jeff Hasty, professore presso la Scuola di Scienze Biologiche dell’UC San Diego e la Scuola di Ingegneria Jacobs ha commentato così la scoperta: “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. La rilevazione dei tumori gastrointestinali e delle lesioni precancerose è un’opportunità clinica interessante per applicare questa invenzione.” E’ 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.
Rob Cooper, co-primo autore dello studio e scienziato presso l’Istituto di Biologia Sintetica dell’UC San Diego ha dichiarato: “I molti batteri possono assorbire il DNA dal loro ambiente, una capacità nota come competenza naturale.” 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.
L’applicazione della tecnologia CRISP
Worthley, un gastroenterologo e ricercatore sul cancro presso la Colonoscopy Clinic di Brisbane, in Australia ha riferito: “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.” In particolare, il batterio è programmato 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.
Le implicazioni future della scoperta
Woods ha dichiarato: “E’ 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. 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.”
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.” 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 ha commentato l’invenzione, affermando: “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.“
