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, a sorte de um paciente parecia ir de mal a pior. Esse paciente teve um câncer em rápido crescimento no pescoço e depois adoeceu com uma infecção bacteriana de pele sem relação. Mas logo, algo inesperado aconteceu: quando ele se recuperou da infecção, o câncer também começou a regredir. Quando um médico chamado William Coley localizou o paciente sete anos depois, não havia mais sinais visíveis do câncer. Coley acreditava que estava acontecendo algo extraordinário: a infecção bacteriana havia estimulado o sistema imunológico do paciente a combater o câncer.
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 o levou ao pioneirismo na injeção intencional de bactérias para tratar com êxito o câncer. Mais de um século depois, biólogos sintéticos encontraram uma maneira ainda melhor de usar esses aliados, antes improváveis, programando-os para fornecer medicamentos com segurança diretamente aos 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 câncer ocorre quando as funções normais das células são alteradas, fazendo-as se multiplicarem rapidamente e formarem abcessos chamados tumores. Tratamentos como radiação, quimioterapia e imunoterapia tentam matar células malignas, mas podem afetar todo o corpo e alterar tecidos saudáveis no processo.
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.
No entanto, algumas bactérias, como a E. coli, têm a vantagem única de conseguir crescer seletivamente dentro de tumores. Na realidade, o núcleo de um tumor forma um ambiente ideal no qual conseguem se multiplicar com segurança, escondidas das células imunológicas. Em vez de causar infecção, as bactérias podem ser reprogramadas para transportar medicamentos contra o câncer, agindo como cavalos de Tróia que atacam o tumor por dentro. Essa ideia de programar bactérias para detectar e reagir de maneiras inovadoras é o foco principal 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.
Mas como as bactérias podem ser programadas? A chave está na manipulação de seu DNA. Ao inserir sequências genéticas específicas nas bactérias, elas podem ser instruídas a sintetizar moléculas diferentes, inclusive aquelas que interrompem o crescimento do câncer. Elas também podem ser criadas para se comportar de modo muito específico com a ajuda de circuitos biológicos, que programam comportamentos diferentes, dependendo da presença, ausência ou combinação de certos fatores. Por exemplo, tumores apresentam baixos níveis de oxigênio e pH e produzem em excesso moléculas específicas. Biólogos sintéticos conseguem programar bactérias para detectar essas condições e, ao fazer isso, reagir a tumores sem afetar tecidos saudáveis.
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 como circuito de lise sincronizado, ou SLC, permite que as bactérias não apenas forneçam medicamentos, mas que façam isso em um horário definido. Primeiro, para evitar danos a tecidos saudáveis, a produção de medicamentos anticâncer começa à medida que as bactérias crescem, o que ocorre apenas dentro do próprio tumor. Em seguida, após a produção dos medicamentos, um interruptor faz com que as bactérias explodam ao atingir um limite crítico da população. Isso libera o medicamento e diminui a população de bactérias. No entanto, uma certa porcentagem das bactérias permanece viva para repovoar a colônia. Por fim, sua quantidade aumenta o bastante para acionar o interruptor novamente, e o ciclo continua. Esse circuito pode ser ajustado para fornecer medicamentos em qualquer horário periódico que seja melhor para combater o câncer.
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.
Essa abordagem se mostrou promissora em ensaios científicos com camundongos. Os cientistas não apenas conseguiram eliminar com sucesso os tumores de linfoma injetados com bactérias, como também a injeção estimulou o sistema imunológico, preparando as células imunológicas para identificar e atacar linfomas não tratados
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.
em outras partes do camundongo. Ao contrário de muitas outras terapias, as bactérias não têm como alvo um tipo específico de câncer, mas, sim, as características gerais compartilhadas por todos os tumores sólidos. As bactérias programáveis também não estão limitadas ao simples combate ao câncer. Em vez disso, elas podem servir como sensores sofisticados que monitoram locais de futuras doenças. As bactérias probióticas seguras podem talvez estar dormentes dentro de nossas entranhas, onde detectam, previnem e tratam doenças antes que tenham a chance de causar sintomas.
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.
Os avanços da tecnologia criaram entusiasmo em torno de um futuro da medicina personalizada impulsionada por nanorrobôs mecânicos. Mas, graças a bilhões de anos de evolução, já podemos ter um ponto de partida na inesperada forma biológica de bactérias. Adicione biologia sintética à mistura, e quem sabe o que será possível em breve.