في عام 1884، بدأ حظ مريض معين بالتراجع من سيىء إلى أسوأ. عانى ذلك المريض من سرطان سريع النمو في عنقه، ثم أصيب بالتهاب الجلد الجرثومي غير ذي صلة بالسرطان. ولكن سرعان ما حدث شيء غير متوقع: كما تعافى من العدوى، بدأ السرطان أيضا في الانحسار. عندها تابع طبيب يدعى وليام كولي المريض بعد 7 سنوات، لم تبق أي علامات واضحة للسرطان، علم كولي أنّ ثمة شيئًا رائعًا كان يحدث: وهو أن العدوى البكتيرية حفّزت الجهاز المناعي للمريض لمحاربة السرطان.
In 1884, a patient’s luck seemed to go from bad to worse. This patient had a rapidly growing cancer in his neck, and then came down with an unrelated bacterial skin infection. But soon, something unexpected happened: as he recovered from the infection, the cancer also began to recede. When a physician named William Coley tracked the patient down 7 years later, no visible signs of the cancer remained. Coley believed something remarkable was happening: that the bacterial infection had stimulated the patient’s immune system to fight off the cancer.
هذا الاكتشاف الذي شهده كولي قاده لريادة طريقة علاجية وهي الحقن المتعمد للبكتيريا لعلاج السرطان بنجاح. بعد أكثر من قرن، وجد علماء الأحياء الاصطناعية طريقة أفضل لاستخدام هؤلاء الحلفاء غير التقليدين -- عن طريق برمجتهم بأمان لإرسال الأدوية مباشرة إلى الأورام.
Coley’s fortunate discovery led him to pioneer the intentional injection of bacteria to successfully treat cancer. Over a century later, synthetic biologists have found an even better way to use these once unlikely allies— by programming them to safely deliver drugs directly to tumors.
يحدث السرطان عندما تتغير الوظائف الطبيعية للخلايا، مما يسبب تضاعفهم بسرعة وتشكيلهم لكتل تُسمّى الأورام. علاجات مثل الإشعاع، والعلاج الكيميائي والعلاج المناعي تحاول قتل الخلايا الخبيثة، ولكنها يمكن أن تؤثر على الجسم كله بتعطيل الأنسجة السليمة خلال عملية المعالجة.
Cancer occurs when normal functions of cells are altered, causing them to rapidly multiply and form growths called tumors. Treatments like radiation, chemotherapy, and immunotherapy attempt to kill malignant cells, but can affect the entire body and disrupt healthy tissues in the process.
ولكن بعض البكتيريا مثل E. coli لديها ميزة فريدة تستطيع أن تنمو بشكل انتقائي داخل الأورام. في الواقع، فإن نواة الورم تشكّل بيئة مثالية حيث يمكنها أن تتضاعف بأمان، مختبئة من الخلايا المناعية. بدلا عن التسبب في العدوى، يمكن إعادة برمجة البكتيريا لحمل العقاقير المضادة للسرطان، عاملةً كحصان طروادة الذي يستهدف الورم من الداخل. فكرة برمجة البكتيريا للاستشعار والاستجابة بطرق جديدة هي صميم حقل علمي يُعرَف بالبيولوجيا الاصطناعية.
However, some bacteria like E. coli have the unique advantage of being able to selectively grow inside tumors. In fact, the core of a tumor forms an ideal environment where they can safely multiply, hidden from immune cells. Instead of causing infection, bacteria can be reprogrammed to carry cancer-fighting drugs, acting as Trojan Horses that target the tumor from within. This idea of programming bacteria to sense and respond in novel ways is a major focus of a field called Synthetic Biology.
ولكن كيف يمكن برمجة البكتيريا؟ السر يكمن في التلاعب بحمضها النووي. عن طريق إدخال تسلسل جيني معين داخل البكتيريا، يمكن توجيهها لاصطناع جزيئات مختلفة بما في ذلك تلك التي تعطل نمو السرطان. ويمكن أيضًا برمجتها للتصرف بطرق محددة للغاية بمساعدة الدوائر البيولوجية. التي تبرمج سلوكيات مختلفة حسب الوجود، الغياب أو مزيج من العوامل. على سبيل المثال، الأورام بطبيعتها منخفضة الأكسجين ومستوى الحموضة ومفرطة في إنتاج جزيئات معينة. يمكن لعلماء الأحياء الاصطناعية أن يبرمجوا البكتيريا لاستشعار تلك الظروف، وبذلك، تستجيب للأورام وتبتعد عن الأنسجة السليمة.
But how can bacteria be programmed? The key lies in manipulating their DNA. By inserting particular genetic sequences into bacteria, they can be instructed to synthesize different molecules, including those that disrupt cancer growth. They can also be made to behave in very specific ways with the help of biological circuits. These program different behaviors depending on the presence, absence, or combination of certain factors. For example, tumors have low oxygen and pH levels and over-produce specific molecules. Synthetic biologists can program bacteria to sense those conditions, and by doing so, respond to tumors while avoiding healthy tissue.
نوع معين من الدوائر البيولوجية، يُعرف بدائرة التحلل المتزامن، أو SLC، لا يسمح فقط للبكتيريا بنقل الدواء، بل بنقله وفقا لجدول محدد. أولًا، لتجنب إيذاء الأنسجة السليمة، إنتاج الأدوية المضادة للسرطان يبدأ مع نمو البكتيريا، وهذا يحدث فقط في داخل الورم نفسه. بعد ذلك، وبعد القيام بإنتاج الدواء يتسبب القتل المتبادل في تفجيرالبكتيريا وذلك عندما يصل عددها إلى الحد الحرِج. ويؤدي ذلك إلى إطلاق الدواء وتقليل عدد البكتيريا. ومع ذلك، فإن نسبة معينة من البكتيريا تظل حيّة لتجديد المستعمرة. تنمو أعداد كبيرة منهم في نهاية المطاف بالحد الكافي لتحريك زر القتل مرة ثانية، وتستمر الدورة. يمكن ضبط هذه الدائرة العلاجية لتقديم الدواء بجسب الجدول الدوري الأفضل لمكافحة السرطان.
One type of biological circuit, known as a synchronized lysis circuit, or SLC, allows bacteria to not only deliver medicine, but to do so on a set schedule. First, to avoid harming healthy tissue, production of anti-cancer drugs begins as bacteria grow, which only happens within the tumor itself. Next, after they’ve produced the drugs, a kill-switch causes the bacteria to burst when they reach a critical population threshold. This both releases the medicine and decreases the bacteria’s population. However, a certain percentage of the bacteria remain alive to replenish the colony. Eventually their numbers grow large enough to trigger the kill switch again, and the cycle continues. This circuit can be fine-tuned to deliver drugs on whatever periodic schedule is best to fight the cancer.
وقد أثبت هذا النهج نتائج طيبة في التجارب العلمية على الفئران. لم يقتصرنجاح العلماء على القضاء على أورام الليمفوما فحسب بعد حقنها بالبكتيريا، ولكن قام ذلك الحقن أيضًا بتحفيز الجهاز المناعي، بتحضير الخلايا المناعية لتحديد ومهاجمة الأورام اللمفاوية غير المعالجة في مكان آخر في الفأر.
This approach has proven promising in scientific trials using mice. Not only were scientists able to successfully eliminate lymphoma tumors injected with bacteria, but the injection also stimulated the immune system, priming immune cells to identify and attack untreated lymphomas
على عكس العديد من الطرق العلاجية الأخرى، لا تستهدف البكتيريا نوعًا محددًا من السرطان
elsewhere in the mouse.
ولكنها تستهدف الخصائص العامة التي تشترك فيها جميع الأورام الصلبة. لا يقتصرعمل البكتيريا القابلة للبرمجة على مكافحة السرطان. بل تعمل بمثابة أجهزة استشعار متطورة تقوم برصد مواقع المرض المحتملة مستقبلًا. بكتيريا البروبيوتيك الآمنة تكمن خاملةً داخل أمعائنا، حيث يكتشفون، يمنعون، ويعالجون الخلل، من قبل أن تتاح له الفرصة في التسبب بإحداث أعراض.
Unlike many other therapies, bacteria don’t target a specific type of cancer, but rather the general characteristics shared by all solid tumors. Nor are programmable bacteria limited to simply fighting cancer. Instead, they can serve as sophisticated sensors that monitor sites of future disease. Safe probiotic bacteria could perhaps lie dormant within our guts, where they’d detect, prevent, and treat disorders
التقدم التكنولوجي خلق إثارة حول مستقبل الشخصنة الطبية باستخدام الأجهزة الآلية النانو ميكانيكية. لكن بفضل مليارات السنين من التطور قد يكون لدينا بالفعل نقطة انطلاق في الشكل البيولوجي غير المتوقع للبكتيريا. أضف البيولوجيا الاصطناعية لهذا المزيج، ومن يدري ما قد يحصل عن قريب.
before they have the chance to cause symptoms. Advances in technology have created excitement around a future of personalized medicine driven by mechanical nanobots. But thanks to billions of years of evolution we may already have a starting point in the unexpectedly biological form of bacteria. Add synthetic biology to the mix,