合成生物学已经开发出复杂的细胞生物传感器来检测和应对人类疾病。然而，生物传感器尚未被设计用于检测特定的细胞外DNA序列和突变。
2023年8月10日，美国加州大学圣地亚哥分校Jeff Hasty、南澳大利亚健康和医学研究所Susan L. Woods及Daniel L. Worthley共同通讯在Science在线发表题为“Engineered bacteria detect tumor DNA”的研究论文，该研究设计了一种肿瘤DNA工程细菌检测器，利用天然活性的贝氏不动杆菌来检测来自结直肠癌（CRC）细胞、类器官和肿瘤基因组的供体DNA。
该研究在体外通过共培养实验表征了生物传感器的功能，然后在体内用传感器细菌传递给携带结直肠肿瘤的小鼠进行验证。在小鼠CRC模型中，该研究观察到从肿瘤到传感器细菌的水平基因转移。这种靶向的、CRISPR识别水平基因转移（CATCH）的细胞检测能够对特定的无细胞DNA进行生物检测。
细菌工程促进了活细胞诊断和治疗方法的发展，包括对肠道炎症、肠道出血、病原体和缺氧肿瘤做出反应的微生物。细菌可以进入整个胃肠道，产生粪便或尿液。细胞记忆，如双稳态开关或基因组重排，使细菌能够随时间存储信息。一些细菌天生具有转化能力，可以直接从其环境中提取细胞外DNA样本。自然能力是水平基因转移（HGT）的一种机制，即生物之间的遗传物质交换，而不是垂直的“亲本到后代”传播。HGT在微生物中很常见。它也可能发生从微生物到动物和植物，并在相反的方向，从真核生物到原核生物。然而，细菌通过HGT检测和响应哺乳动物DNA的正向工程尚未被探索。
该文描述的传感器细菌表明，活体生物传感器可以检测肠道中CRC脱落的特定哺乳动物DNA，无需样品制备或处理。工程供体盒不需要CATCH生物传感器来检测、区分和报告目标序列，尽管最终的天然DNA生物传感器将需要改进的信号背景比来可靠地检测整个基因组DNA中的序列。同源臂和CRISPR间隔器是模块化的，因此该策略可以很容易地用于检测和分析任意感兴趣的目标序列。
机理模式图（图源自Science）
体外DNA分析有助于检测和管理重要的人类疾病，包括癌症和感染。然而，体外传感需要潜在的侵入性样品去除，许多DNA诊断不能达到临床相关的序列分辨率，更先进的技术仍然过于昂贵，无法在所有环境中常规使用。在体内对肠道进行直接取样可能具有重要的优势。胃肠道含有显著的脱氧核糖核酸酶（DNase）活性，这限制了啮齿动物和人类游离DNA的寿命，从而可能降低下游粪便样本的信息含量。
原位细菌生物传感器可以在DNA释放后被局部DNA酶降解之前捕获并保存DNA。CATCH最令人兴奋的方面可能是，与体外诊断不同，一旦捕获目标DNA，它就可以与纳米体、肽或其他小分子的直接和基因型互补递送相结合，用于治疗癌症或感染。CATCH允许细胞检测无细胞DNA，因此可能在未来的合成生物学应用中证明有用，无论何时何地，DNA检测和分析都很重要。
文章来源“iNture”
