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.
В 1884 году состояние одного больного продолжало ухудшаться. У него стремительно разрасталась опухоль шеи, и в добавок ко всему ещё появилась бактериальная инфекция кожи. Но вскоре случилось нечто непредвиденное: инфекция начала отступать, а вместе с ней уменьшилась и раковая опухоль. И когда через семь лет врач Вильям Коли осмотрел этого пациента, он не обнаружил видимых следов опухоли. Коли заподозрил, что произошло нечто совершенно удивительное: бактериальная инфекция активировала иммунную систему больного, и организм оказался в состоянии побороть рак.
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.
Cделав это невероятное открытие, Коли начал специально вводить в организм онкобольных бактерии для борьбы с раком. Прошло более ста лет, и специалисты в области синтетической биологии придумали новый, более эффективный способ задействовать этих неожиданных помощников,
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.
запрограммировав их доставлять медикаменты прямо в опухоль. Рак образуется, когда нарушается механизм деления клеток, в результате чего они начинают бесконтрольно размножаться и появляются опухоли. Основные методы лечения рака, такие как лучевая терапия, химиотерапия и иммунотерапия, направлены на уничтожение злокачественных клеток, но попутно разрушают и здоровые ткани и таким образом наносят вред всему организму.
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.
Однако некоторые бактерии, например, кишечная палочка, или E. coli, обладают уникальной способностью выборочно размножаться внутри опухолей. И действительно, ядро опухоли представляет для них идеальную среду, в которой бактерии могут расти, не опасаясь атаки иммунной системы. Поэтому, вместо того, чтобы инфицировать весь организм, бактерии могут быть запрограммированы для доставки противоопухолевых препаратов, то есть, подобно троянскому коню, уничтожат опухоль изнутри. Данная идея запрограммировать бактерии для распознавания болезней и борьбы с ними легла в основу научного направления, которое называется синтетическая биология.
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.
Каким же образом можно запрограммировать бактерии? Делается это путём манипуляций с ДНК. Вводя в бактерии определённую последовательность нуклеотидов, биологи стимулируют синтез различных молекул, в том числе молекул, блокирующих рост раковых клеток. Бактерии также могут быть запрограммированы на определённый алгоритм действий — делается это с использованием биологических схем. При этом поведение бактерий регулируется наличием, отсутствием или сочетанием конкретных факторов. Например, злокачественные опухоли отличаются низким уровнем кислорода и pH и вырабатывают большое количество специфических молекул. Специалисты в области синтетической биологии могут запрограммировать бактерии на узнавание этих факторов и конкретную программу действий
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.
по отношению к опухоли, не затрагивая при этом здоровых тканей. Один из видов биологических схем называется синхронизированная схема бактериального лизиса, или SLC, благодаря которой бактерии не прост доставляют медикаменты, но делают это по определённому графику. Во-первых, чтобы не нанести вреда здоровым тканям, выработка противораковых препаратов начинается только по мере роста бактерий, а это происходит лишь внутри опухоли. Затем сразу после выработки терапевтических препаратов бактерии получают команду к самоуничтожению — происходит это при достижении бактериями критической массы. При этом высвобождаются противораковые препараты, а колонии бактерий сокращаются. Однако определённый процент живых бактерий всё же остаётся — благодаря им разрастается новая колония. В конце концов и эта колония достигает критической массы и точно так же самоуничтожается. Этот цикл повторяется снова и снова. Данную схему можно настроить на доставку медикаментов в соответствии с графиком,
This approach has proven promising in scientific trials using mice.
который наиболее подходит для конкретного вида рака.
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.
Этот метод уже оказался успешным при проведении клинических испытаний на мышах. Учёные не только смогли устранить лимфатические опухоли, введённые вместе с бактериями, — благодаря инъекции бактерий, иммунные клетки научились распознавать и атаковать злокачественные клетки, оставшиеся в организме мышей.
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.
В отличие от других видов противоопухолевой терапии, действие бактерий направлено не на конкретные виды рака, а на солидные образования, объединённые общими характеристиками. Более того, запрограммированные бактерии не только борются с раком — они являются некими усовершенствованными датчиками, способными отслеживать образование в организме новых патологий. Безопасные пробиотики могли бы оставаться в кишечнике в латентном состоянии, откуда они активировались бы для обнаружения, предупреждения и лечения болезней
Advances in technology have created excitement around a future
до того, как появятся какие-либо симптомы.
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.
Благодаря прогрессу в развитии современных технологий открылись потрясающие возможности в сфере персонализированной медицины, важную роль в которой будут играть механические нанороботы. Но благодаря миллиардам лет эволюции человечество, возможно, уже начало постигать неизведанный биологический потенциал бактерий. А если применить к ним достижения синтетической биологии, кто знает, на что мы окажемся способны в ближайшей перспективе.