من خلال إنشاء مستشعرات جديدة متطورة تقنيًا ، صمم العلماء بكتيريا تكتشف وجود الحمض النووي للورم في الكائنات الحية. يمكن أن يمهد ابتكارهم الطريق لمستشعرات حيوية جديدة قادرة على تحديد مختلف أنواع العدوى والسرطانات والأمراض الأخرى.

10 أغسطس 2023

مصدر:جامعة كاليفورنيا - سان دييغو

ScienceDaily

د. سالم موسى القحطاني

____________

ملخص:

من خلال إنشاء مستشعرات جديدة متطورة تقنيًا ، صمم العلماء بكتيريا تكتشف وجود الحمض النووي للورم في الكائنات الحية. يمكن أن يمهد ابتكارهم الطريق لمستشعرات حيوية جديدة قادرة على تحديد مختلف أنواع العدوى والسرطانات والأمراض الأخرى.

بدخول فصل جديد من أجهزة الاستشعار البيولوجية المتقدمة تقنيًا ، صمم علماء من جامعة كاليفورنيا سان دييغو وزملاؤهم في أستراليا بكتيريا يمكنها اكتشاف وجود الحمض النووي للورم في كائن حي.

يمكن لابتكارهم ، الذي اكتشف السرطان في قولون الفئران ، أن يمهد الطريق لمستشعرات حيوية جديدة قادرة على تحديد مختلف أنواع العدوى والسرطانات والأمراض الأخرى.

تم وصف التقدم في 11 أغسطس 2023 ، في مجلة Science. صُممت البكتيريا سابقًا للقيام بوظائف تشخيصية وعلاجية مختلفة ، لكنها تفتقر إلى القدرة على تحديد تسلسلات DNA وطفرات معينة خارج الخلايا. تم تصميم "الفحص الخلوي لنقل الجينات الأفقي المستهدف بتمييز كريسبر" أو "CATCH" للقيام بذلك بدقة.

قال قائد الفريق العلمي جيف هيستي ، الأستاذ في كلية العلوم البيولوجية بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو: "عندما بدأنا في هذا المشروع قبل أربع سنوات ، لم نكن متأكدين حتى من إمكانية استخدام البكتيريا كمستشعر للحمض النووي للثدييات". مدرسة جاكوبس للهندسة. "إن الكشف عن سرطانات الجهاز الهضمي والآفات محتملة التسرطن فرصة سريرية جذابة لتطبيق هذا الاختراع."

من المعروف أن الأورام تتشتت أو تفرز حمضها النووي في البيئات المحيطة بها. يمكن للعديد من التقنيات تحليل الحمض النووي المنقى في المختبر ، ولكن لا يمكنها اكتشاف الحمض النووي في مكان إطلاقه. في إطار استراتيجية CATCH ، صمم الباحثون البكتيريا باستخدام تقنية CRISPR لاختبار تسلسل الحمض النووي الحر العائم على المستوى الجيني ومقارنة تلك العينات بتسلسلات السرطان المحددة مسبقًا.

قال روب كوبر ، المؤلف الأول المشارك للدراسة وعالم في معهد الأحياء الاصطناعية بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو: "يمكن للعديد من البكتيريا أن تأخذ الحمض النووي من بيئتها ، وهي مهارة تُعرف بالكفاءة الطبيعية". تعاون هيستي وكوبر والطبيب الأسترالي دان وورثلي على فكرة الكفاءة الطبيعية فيما يتعلق بالبكتيريا وسرطان القولون والمستقيم ، وهو السبب الرئيسي الثالث للوفاة المرتبطة بالسرطان في الولايات المتحدة.

بدأوا في صياغة إمكانية هندسة البكتيريا ، المنتشرة بالفعل في القولون ، كمستشعرات حيوية جديدة يمكن نشرها داخل القناة الهضمية لاكتشاف الحمض النووي المنطلق من أورام القولون والمستقيم. ركزوا على بكتيريا Acinetobacter baylyi ، وهي بكتيريا حدد فيها كوبر العناصر الضرورية لكل من تناول الحمض النووي واستخدام كريسبر لتحليله.

قال ورثلي ، أخصائي أمراض الجهاز الهضمي وباحث السرطان في عيادة تنظير القولون في بريسبان ، أستراليا.

من خلال العمل مع الزملاء الأستراليين سوزان وودز وجوزفين رايت ، قام الباحثون بتصميم وبناء واختبار Acinetobacter baylyi كمستشعر لتحديد الحمض النووي من KRAS ، وهو جين متحور في العديد من أنواع السرطان. قاموا ببرمجة البكتيريا بنظام كريسبر المصمم لتمييز الطافرة عن النسخ العادية (غير المتحولة) من KRAS. هذا يعني أن البكتيريا التي تناولت أشكالًا متحولة من KRAS ، كما هو موجود في الأورام الحميدة السرطانية والسرطانات ، على سبيل المثال ، هي التي ستبقى على قيد الحياة للإشارة أو الاستجابة للمرض.

يعتمد البحث الجديد على الأفكار السابقة المتعلقة بنقل الجينات الأفقي ، وهي تقنية تستخدمها الكائنات الحية لنقل المواد الجينية بين بعضها البعض بطريقة تختلف عن الوراثة الجينية التقليدية من الأب إلى الأبناء. في حين أن نقل الجينات الأفقي معروف على نطاق واسع من البكتيريا إلى البكتيريا ، فقد حقق الباحثون هدفهم في تطبيق هذا المفهوم من أورام الثدييات والخلايا البشرية إلى البكتيريا.

قال رايت: "كان أمرًا لا يصدق عندما رأيت البكتيريا التي تناولت الحمض النووي للورم تحت المجهر. نمت الفئران المصابة بالأورام مستعمرات بكتيرية خضراء اكتسبت القدرة على النمو على ألواح المضادات الحيوية".

يعمل الباحثون الآن على تكييف استراتيجية جهاز الاستشعار البيولوجي للبكتيريا مع دوائر جديدة وأنواع مختلفة من البكتيريا لاكتشاف ومعالجة السرطانات والالتهابات البشرية.

قال وودز: "هناك إمكانات كبيرة لهندسة البكتيريا للوقاية من سرطان القولون والمستقيم ، وهو ورم مغمور في تيار من البكتيريا ، يمكن أن يساعد أو يعيق تطوره".

أشارت الأستاذه المساعدة سيدهارتا موخيرجي من جامعة كولومبيا ، والذي لم تشارك في الدراسة ، إلى أنه في المستقبل ، "سيتم علاج المرض والوقاية منه بواسطة الخلايا ، وليس الحبوب. إن البكتيريا الحية التي يمكنها اكتشاف الحمض النووي في الأمعاء هي فرصة هائلة للعمل كحارس للبحث عن سرطانات الجهاز الهضمي والعديد من السرطانات الأخرى وتدميرها ".

في حين أن الاختراع الجديد يتطلب مزيدًا من التطوير والتنقيح ، فإن فريق البيولوجيا التركيبية في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو يواصل تحسين استراتيجية المستشعر الحيوي المتقدمة ، كما قال هيستي ، الذي لديه ارتباطات بقسم البيولوجيا الجزيئية بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو ، قسم Shu Chien-Gene Lay للهندسة الحيوية و معهد البيولوجيا التركيبية.

يعتقد وورثلي أن "هناك مستقبل لا يحتاج فيه أحد إلى الموت بسبب سرطان القولون والمستقيم". "نأمل أن يكون هذا العمل مفيدًا للمهندسين البيولوجيين والعلماء ، وفي المستقبل ، للأطباء ، في السعي لتحقيق هذا الهدف."

Researchers engineer bacteria that can detect tumor DNA: Advanced biosensor leverages CRISPR to identify colon cancer -- ScienceDaily