合成生物學的一大應用是開發細胞內的生物傳感器來監測和響應人類疾病，其中工程化菌由于能夠進入人類整個胃腸消化道，并且天然地具備轉化和直接從環境中獲取胞外DNA的能力，在活細胞檢測和診療中發揮了巨大作用。水平基因轉移（horizontal gene transfer, HGT）是微生物之間的普遍現象，不僅存在微生物向動植物的轉移，還可能出現真核生物向原核生物的轉移，但用于檢測特定的胞外DNA序列和突變的工程化生物傳感器尚未被開發。

        2023年8月10日，加利福尼亞大學合成生物學研究所的Jeff Hasty，南澳大利亞健康與醫學研究所的Daniel L. Worthley和Susan L. Woods合作，共同在Science上發表了題為Engineered bacteria detect tumor DNA的文章，工程化了一種天然卡氏不動桿菌（Acinetobacter baylyi），使其成功應用于結直腸癌細胞、類器官和腫瘤的DNA檢測。

        作者首先想知道細菌是否能用于監測哺乳動物DNA。他們在供體人癌細胞的KRAS同源臂內轉入了一個卡那霉素抗性基因，生成了一個供體cassette。通過慢病毒轉導，作者將其轉入3個遺傳背景不同的結直腸癌細胞系（RKO，LS174T，SW620）和2個結直腸癌類器官細胞系（RAH057T，RAH038T）。接下來作者在卡氏不動桿菌中插入了一個與KRAS同源臂互補的序列片段，他們分別測試了2 kb和8 bp的插入策略，通過卡氏不動桿菌在卡那霉素平板上的生長情況來衡量HGT。作者在液體培養基和固體瓊脂糖培養基中進行了測試，發現無需DNA純化，工程化菌都能檢測到外源DNA，在固體培養基中檢測效率更為高效，且小片段插入策略將檢測效率提升了10倍左右。

        那么工程化菌能否區分野生型和突變型的KRAS呢？作者將帶GFP的卡那霉素抗性基因（kanR-GFP）穩定轉染至供體RKO細胞系，然后設計了3個靶向野生型KRAS的間隔序列，將其插入卡氏不動桿菌基因組，那么基于CRISPR CAS系統，卡氏不動桿菌會拒絕野生型只能整合進突變型。作者發現只有spacer 2能夠做到這一點，于是他們篩選出了能夠區分野生型和突變型的工程化菌。

        然后作者分別在結直腸癌類器官系和結直腸癌小鼠模型中對工程化菌的檢測效果進行評估。對于結直腸癌類器官系，他們發現與細胞系結果一致，卡氏不動桿菌整合了供體類器官裂解物的DNA，通過測試，作者估測出了其檢測糞便中靶向DNA的閾值，單次為3 pg的質粒或2.7 × 10^5 拷貝的靶向DNA。對于結直腸癌小鼠模型，工程化菌也能準確地檢測出腫瘤DNA。最后，作者檢驗了其在一般癌癥DNA中的表現，發現其也能檢測和區分靶向DNA。

        總的來說，文章將天然具備定殖于胃腸道能力且對健康人體無害的卡氏不動桿菌工程化，在體外鑒定了其作為生物傳感器檢測結直腸癌DNA的特征，并在體內結直腸癌小鼠模型中得到驗證，觀察到了水平基因轉移，使得生物鑒定特異游離DNA成為可能，具有廣泛應用前景。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3974