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.
در سال ۱۸۸۴ بخت یک بیمار، از بد به بدتر تبدیل شد. این بیمار سرطانی در گردنش داشت که بهسرعت در حال رشد بود، و بعد دچار عفونتِ باکتریایی نامربوط بر روی پوستش شد. اما کمی بعد، اتفاق غیرمنتظرهای افتاد: درحالیکه او از عفونت بهبودی پیدا میکرد، سرطانش هم شروع به عقب کشیدن کرد. وقتی یک دکتر به نام «ویلیام کُلی» ۷ سال بعد وضعیت این بیمار را بررسی کرد، هیچ نشانهی قابلمشاهدهای از سرطان باقی نمانده بود. «کُلی» باور داشت اتفاقی قابل توجه در حال رخ دادن بود: اینکه عفونت باکتریایی سیستم ایمنی بدن بیمار را تحریک کرد-- تا با سرطان مبارزه کند.
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.
این کشف اتفاقی «کُلی» باعث شد تا او پیشقدم شود برای تزریق عمدی باکتری به منظور درمان موفق سرطان. یک قرن بعد، زیست شناسان ترکیبی راه بهتری پیدا کردند تا از باکتریها استفاده شود -- بهگونهای که با برنامهریزی کردن، داروها را بهطور مستقیم به تومورها منتقل کنند.
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.
سرطان زمانی اتفاق میافتد که کارکرد معمول سلولها دچار تغییر میشود، که باعث میشود تا آنها مکرراً تکثیرشده و تودههایی به نام تومور را به وجود آورند. درمانهایی مانند پرتودرمانی شیمیدرمانی و ایمن درمانی تلاش میکنند تا سلولهای خطرناک را بکشند اما میتوانند بر کل بدن اثر بگذارند و در طی آن به بافتهای سالم نیز آسیب برسانند.
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.
اما برخی باکتریها مانند «ایی کولای» توانایی خاص آن را دارند که بتوانند بهطور مشخصی درون تومورها رشد کنند. در واقع هسته یک تومور، محیط مناسبی را تشکیل میدهد تا آنها بتوانند بهطور امنی تکثیر شوند، دور از دسترس سیستم ایمنی. بجای ایجاد عفونت، باکتری میتواند برنامهریزی شود تا داروهای مبارز با سرطان را حمل کند، آنها بهعنوان نیروهای نفوذی، از درون تومورها را مورد هدف قرار میدهند. ایده برنامهنویسی بر روی باکتریها بهگونهای که به روشهای نامعمول عمل کنند یک کانون اصلی تمرکز در رشتهای به نام زیستشناسی ترکیبی است.
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.
اما چگونه میتوان بر روی باکتری برنامهنویسی کرد؟ کلید این کار دستکاری کردن دیانای آنهاست. با افزایش برخی دنبالههای ژنتیکی مشخص در باکتری آنها میتوانند یاد بگیرند تا مولکولهای مختلفی را بهصورت ترکیبی درست کنند، ازجمله آنهایی که رشدِ سرطان را مختل میکنند. بعلاوه میتوان آنها را وادار کرد که بهگونهای خاص رفتار کنند به کمک مدارهای زیستی. این برنامهنویسیها بر اساس رفتارهای مختلف مانند حضور و یا عدم حضور، و یا ترکیبی از عوامل مختلف انجام میشود. بهطور مثال، تومورها سطح اکسیژن و پیاچ پایینی دارند و برخی مولکولها را بهطور بیشازحد تولید میکنند. زیست شناسان ترکیبی میتوانند باکتری را دستکاری کنند تا این حالتها را تشخیص دهد، و با این کار فقط به تومورها حساس شوند و از بافتهای سالم دوری کنند.
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.
یک نوع از مدارهای زیستی معروف به «مدار زوال تدریجی همزمان» یا «اسالسی» به باکتری اجازه میدهد که نهتنها دارو را منتقل کند، بلکه این کار را بر اساس یک برنامه تنظیمشده انجام دهد. اول، برای جلوگیری از آسیب رساندن به بافتهای سالم، استخراج داروهای ضد سرطان با رشد باکتری شروع میشود، که فقط درون تومور اتفاق میافتد. سپس وقتی آنها داروها را استخراج کردند، یک دکمه مرگ، باعثِ از هم پاشیدن باکتریها میشود آن هم وقتیکه جمعیت آنها بیش از حد رشد میکند. باعث میشود که، هم داروها آزاد شوند و هم تعداد باکتریها کم شود. با این وجود درصدی از باکتریها زنده میمانند تا دوباره توده را پر کنند. در نهایت تعداد آنها بهاندازهای بزرگ میشود تا دکمه مرگ دوباره فعال شود، و این چرخه ادامه پیدا میکند. با تغییراتی کوچک، این روند میتواند باعث انتقال داروها بر اساس هر برنامه دورهای مناسبی برای مبارزه با سرطان شود.
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 elsewhere in the mouse.
این روش در آزمایشهای علمی بر روی موش موفق عمل کرده است. نهتنها دانشمندان توانستند تومورهای لنفاوی را با تزریق باکتری با موفقیت از بین ببرند، بلکه تزریق باکتری باعثِ تحریک سیستم ایمنی هم شد، و سلولهای ایمنی را برای شناسایی و مبارزه با غدههای درمان نشده در دیگر بخشهای بدن موش آماده کرد.
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 before they have the chance to cause symptoms.
برخلاف دیگر انواع درمانها، باکتری فقط یک نوع سرطان را هدف قرار نمیدهد، بلکه هدفش تمامی تومورها با یک سری ویژگیهای یکسان است. همینطور باکتریها فقط برای مبارزه با سرطان برنامهنویسی نمیشوند. در عوض آنها میتوانند بهعنوانِ گیرندههای ماهری عمل کنند که زمینههای بیماریهای آینده را تشخیص میدهند. باکتریهای ایمن، میتوانند درون رودهی ما بهطور ساکن بمانند، جایی که میتوانند اختلالها را تشخیص دهند، پیشگیری و درمان کنند قبل اینکه آنها شانس این را داشته باشند که باعث بیماری شوند.
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, and who knows what might soon be possible.
پیشرفتِ این فناوری، هیجان زیادی را برای یک آینده با داروهای شخصیسازیشده توسط نانو روباتها به وجود میاورد. اما به لطف میلیاردها سال تکامل ما ممکن است همین حالا یک نقطهی شروعی در یک حالت نامعمول باکتری زیستی داشته باشیم. به آن زیستشناسی ترکیبی را هم اضافه کنید، و چه کسی میداند چه چیزی در آینده ممکن خواهد بود.