I mer än ett decennium, forskare har arbetat för att förstå sambandet mellan kolibaktin, en förening som produceras av vissa stammar av E coli , och kolorektal cancer, men har hämmats av deras oförmåga att isolera föreningen.

Så Emily Balskus bestämde sig istället för att fokusera på röran den lämnar efter sig.

Professor i kemi och kemisk biologi, Balskus och kollegor är författarna till en ny studie som försöker förstå hur kolibaktin orsakar cancer genom att exakt identifiera hur kemikalien reagerar med DNA för att skapa DNA-addukter. Studien beskrivs i en artikel den 15 februari publicerad i Vetenskap .

"Det har varit känt sedan 2006 att det finns en uppsättning gener i vissa tarmkommensala bakterier - mestadels i stammar av E coli - som ger dem förmågan att göra molekyler som kan leda till DNA-skador, " sa Balskus. "Under åren, det har gjorts ett antal studier som har visat ett samband mellan mängden bakterier som bär denna väg och cancer hos människor, och flera musmodeller av kolit-associerad kolorektal cancer har visat att denna specifika uppsättning gener ... kan påverka tumörprogression och invasivitet."

Tyvärr, föreningen som skapats genom den vägen - kolibaktin - har hittills undgått försök att isolera den, lämnar forskarna i mörkret om hur det fungerar.

"Mitt labb började studera detta, eftersom vi var intresserade av det här problemet med hur du kan förstå en molekyl du inte kan isolera, " sa Balskus. "Och sammanfattningen av vårt tidigare arbete för att förstå kolibaktin var att, oväntat, vi och andra grupper som arbetade på den här vägen upptäckte att denna naturprodukt har vad som kallas en cyklopropanring i sig."

Det är den kemiska strukturen som Balskus och kollegor tror utgör kolibaktin-stridsspetsen – delvis för att liknande strukturer finns i andra, orelaterade molekyler som kan orsaka direkt DNA-skada genom att reagera med den.

"När vi insåg det, vi antog att en direkt interaktion med DNA kan vara viktig för kolibaktins genotoxiska aktivitet, " sa Balskus. "Det belyste en ny strategi för att få information om kolibaktins struktur - istället för att försöka isolera själva molekylen, vi kunde isolera och karakterisera DNA-addukterna, eller produkterna av reaktionen med DNA."

Att isolera dessa DNA-addukter, dock, är ingen lätt bedrift.

Att göra det, Balskus och hennes team vände sig till Silvia Balbo, professor vid University of Minnesota School of Public Health, som utvecklade en ny teknik för att identifiera DNA-addukter baserat på hur de fragmenteras i en högupplöst masspektrometer.

"Vad vi gjorde, vilket jag tyckte var ett väldigt spännande experiment, var att ta en påfrestning av E coli som skulle kunna producera kolibaktin och en mutant stam med samma genotyp, förutom att det inte hade genklustret som gör kolibaktin, " sa Balskus. "Vi inkuberade de stammarna med mänskliga cellinjer... och isolerade DNA från båda uppsättningarna av celler, satte den i masspektrometern och jämförde mängden olika DNA-addukter i proverna, så vi kunde hitta DNA-addukter som bara genererades i cellerna som behandlades med de genotoxinproducerande bakterierna."

Beväpnad med den informationen, Balskus sa, deras nästa utmaning var att förstå den kemiska strukturen hos dessa addukter.

"Det såg ut som om de kom från kolibaktin baserat på fragmenteringen i masspektrometern, men det räcker inte för att lösa en kemisk struktur, " sa Balskus. "Vad forskare i mitt labb gjorde, och det var en heroisk insats, var att kemiskt syntetisera en standard...och vi jämförde den sedan med addukterna som produceras i cellerna, och de var likadana."

För att visa att processen även fungerade hos levande djur, teamet samarbetade med Wendy Garrett vid Harvard T.H. Chan School of Public Health, att genomföra ett experiment där bakteriefria möss koloniserades med stammar av E coli som kunde och inte kunde producera kolibaktin.

"Vi visade att vi kunde detektera samma DNA-addukter i tjocktarmens epitelvävnad hos mössen med de kolibaktinproducerande stammarna, " sa Balskus. "Det säger oss att all kemi som vi och andra har gjort ex vivo verkligen kan vara relevant för vad som händer in vivo."

Går framåt, Balskus hoppas kunna undersöka om samma addukter kan detekteras i prover från patienter, och att förstå de specifika typerna av DNA-skador orsakade av kolibaktin och om de påverkar cancerutvecklingen.

Och nu när forskarna har en god förståelse för den kemiska strukturen hos DNA-addukterna som skapas av kolibaktin, Balskus sa, de kanske kan arbeta baklänges mot själva molekylen.

"Addukterna vi identifierade kommer med största sannolikhet från nedbrytning av en större art, " sa Balskus. "Så vi försöker fortfarande lösa detta kemiska mysterium och arbetar för att ta reda på vad den fullständiga strukturen kan vara."

I slutet, Balskus sa, fynden tyder också på att DNA-addukter kan användas som en nyckelbiomarkör för aktiviteten av föreningar som kolibaktin och andra potentiella cancerframkallande ämnen som härrör från aktiviteten hos tarmmikrober.

"Fram till denna punkt, när människor letade efter organismer med förmågan att göra dessa DNA-skadande föreningar, de letade efter de biosyntetiska generna, " sa Balskus. "Det säger dig om den genetiska potentialen, men det säger dig inte att DNA-skada faktiskt har inträffat, och vi vet från andra områden inom toxikologin att om du har bra biomarkörer för att förutsäga karcinogenes, som kan vara kraftfullt när man tänker på att bedöma cancerrisker.

"Det är fortfarande väldigt tidigt, men det är ett område dit vårt arbete potentiellt kan leda, " fortsatte hon. "Det är fortfarande för tidigt att veta om kolibaktin spelar en orsaksroll i tumörutveckling hos människor, men vi skulle vilja ha bättre sätt att övervaka känsligheten för tjocktarmscancer."