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.
Em 1884, o destino de um doente parecia ir de mal a pior. Esse doente tinha um cancro de rápida evolução no pescoço e apanhou uma infeção bacteriana da pele sem relação com o cancro. Em breve, aconteceu uma coisa inesperada: À medida que recuperava dessa infeção, o cancro também começou a regredir. Quando um médico, William Coley, observou o doente sete anos depois, não havia vestígios visíveis do cancro. Coley percebeu que tinha acontecido uma coisa espantosa. A infeção bacteriana tinha estimulado o sistema imunitário do doente que combatera o cancro.
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.
A feliz descoberta de Coley levou-o a inventar a injeção intencional de bactérias para tratar o cancro com êxito. Mais de cem anos depois, os biólogos sintéticos descobriram uma forma melhor de usar esses aliados improváveis programando bactérias para administrar diretamente as drogas em tumores.
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.
O cancro ocorre quando se alteram as funções normais das células, levando-as a multiplicarem-se rapidamente e a formarem massas chamadas tumores. Os tratamentos como as radiações, a quimioterapia e a imunoterapia tentam matar as células malignas, mas podem afetar todo o corpo
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.
e prejudicar os tecidos sãos. Mas algumas bactérias, como a E.coli têm a vantagem única de conseguirem crescer seletivamente dentro dos tumores. Com efeito, o núcleo de um tumor forma um ambiente ideal onde se podem multiplicar, ocultas das células imunitárias. Em vez de causarem uma infeção, as bactérias podem ser reprogramadas para transportar drogas de combate ao cancro, que agem como Cavalos de Troia que visam o tumor, por dentro. Esta ideia de programar as bactérias para reagirem de formas novas é o principal foco de um campo chamado Biologia Sintética.
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.
Como é que as bactérias podem ser programadas? O segredo está na manipulação do ADN. Inserindo determinadas sequências genéticas nas bactérias, elas podem ser instruídas para sintetizar diversas moléculas, incluindo as que interrompem o crescimento do cancro. Também podem ser instruídas para se comportarem de formas específicas com a ajuda de circuitos biológicos. Estes programam diferentes comportamentos consoante a presença, a ausência ou a combinação de determinados fatores. Por exemplo, os tumores têm níveis baixos de oxigénio e de pH e produzem em demasia moléculas especificas. Os biólogos sintéticos podem programar as bactérias para detetarem essa situação e, quando o fazem, reagem aos tumores evitando tecidos sãos.
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.
Um tipo de circuito biológico, conhecido por circuito de lise sincronizado, ou CLS, permite que as bactérias administrem os medicamentos, segundo um horário. Primeiro, para evitar prejudicar tecidos sãos, a produção de drogas anti cancro começa quando as bactérias crescem o que só acontece dentro do tumor. A seguir, depois de terem produzido as drogas, um interruptor provoca o rebentamento das bactérias quando elas atingem um limiar crítico de população. Isto liberta o medicamento e reduz a população das bactérias. Porém, uma certa percentagem de bactérias mantém-se viva para repovoar a colónia. Por fim, o número cresce até acionar de novo o interruptor e o ciclo continua. Este circuito pode ser afinado para administrar drogas segundo o calendário periódico que melhor combata o cancro.
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.
Esta abordagem mostrou-se promissora nos testes científicos com ratos. Não só os cientistas conseguiram eliminar linfomas injetados com bactérias, mas a injeção também estimulou o sistema imunitário, preparando as células imunitárias a identificar e atacar os linfomas não tratados, nos ratos.
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.
Ao contrário de outras terapias, as bactérias não visam um tipo específico de cancro mas as características gerais partilhadas pelos tumores sólidos. As bactérias programáveis não se limitam a combater o cancro. Também servem como sofisticados sensores que vigiam zonas potenciais de doenças. As bactérias seguras probióticas poderão manter-se adormecidas nos intestinos onde detetam, impedem e tratam perturbações
Advances in technology have created excitement around a future
antes de elas terem hipótese de provocar sintomas.
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.
Os progressos na tecnologia têm criado entusiasmo quanto a um futuro de medicamentos personalizados orientados por nanorobôs mecânicos. Mas, graças a milhares de milhões de anos de evolução, podemos ter agora um ponto de partida sob a forma biológica inesperada de bactérias. Juntem a biologia sintética à mistura e quem sabe o que poderá ser possível, dentro em breve.