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.
Năm 1884, có vẻ như nữ thần may mắn đang từ bỏ một bệnh nhân. Bệnh nhân này có một khối u ở cổ đang tiến triển nhanh chóng, và tệ hơn, anh còn bị nhiễm trùng da ở những vị trí khác. Nhưng chẳng bao lâu, một chuyện bất ngờ đã xảy ra: khi tình trạng nhiễm trùng vừa khỏi, thì căn bệnh ung thư cũng dần suy giảm. Bảy năm sau, khi bác sĩ William Coley đánh giá lại tình trạng của anh ta thì không còn bất kỳ dấu hiệu nào của ung thư. Coley tin rằng một điều đáng kinh ngạc đã xảy ra: đó là tình trạng nhiễm trùng đã kích thích hệ miễn dịch của bệnh nhân chống lại ung thư.
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.
Phát hiện may mắn đã khiến Coley trở thành người tiên phong trong việc điều trị dứt điểm ung thư bằng cách tiêm vi khuẩn có chủ ý. Hơn một thế kỷ sau, các nhà sinh học tổng hợp đã tìm thấy một cách còn tốt hơn trong việc sử dụng những đồng minh không ngờ tới này - đó là lập trình chúng để vận chuyển thuốc một cách an toàn và chính xác đến khối u.
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.
Ung thư xảy ra khi những chức năng bình thường của tế bào bị thay đổi, khiến chúng nhân lên nhanh chóng và tiến triển thành khối u. Việc sử dụng các phương pháp trị liệu như xạ trị, hóa trị và liệu pháp miễn dịch nhằm tiêu diệt các tế bào ác tính, nhưng có thể ảnh hưởng đến toàn bộ cơ thể và hủy hoại các mô khỏe mạnh trong quá trình điều trị.
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.
Tuy nhiên một số vi khuẩn như E. coli có một khả năng đặc biệt là phát triển có chọn lọc bên trong khối u. Trên thực tế, trung tâm của khối u tạo ra một môi trường lý tưởng để chúng có thế nhân lên an toàn, tránh khỏi các tế bào miễn dịch. Thay vì gây ra nhiễm khuẩn, vi khuẩn có thể được tái lập trình để mang theo thuốc trị ung thư có chức năng như con ngựa thành Troy với mục tiêu là thâm nhập vào trong khối u. Ý tưởng về việc lập trình vi khuẩn để phát hiện và phản ứng theo những cách mới lạ là trọng tâm của lĩnh vực Sinh học Tổng hợp.
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.
Nhưng làm cách nào để lập trình vi khuẩn? Mấu chốt nằm ở việc điều khiển DNA vi khuẩn. Bằng việc chèn một trình tự gen đặc biệt vào vi khuẩn, làm chúng có thể tổng hợp nên nhiều loại phân tử, kể cả những loại có thể phá hủy quá trình tiến triển bệnh ung thư. Chúng cũng có thể được điều chỉnh để hoạt động theo những cách thức riêng nhờ vào các mạch sinh học. Chúng có tác dụng thay đổi cách thức hoạt động tùy vào sự hiện diện, vắng mặt, hoặc kết hợp của những yếu tố nhất định. Ví dụ, các khối u có nồng độ ô-xi và pH thấp và sản xuất quá mức một số phân tử nhất định. Nhà sinh học tổng hợp có thể lập trình vi khuẩn nhận biết được tình trạng trên, và như vậy chúng sẽ đáp ứng lại khối u mà không ảnh hưởng đến các mô bình thường.
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.
Một loại mạch sinh học có khả năng ly giải đồng bộ, gọi tắt là SLC, cho phép vi khuẩn vận chuyển thuốc theo một lịch trình đã được thiết lập sẵn. Đầu tiên, để tránh tổn thương các mô khỏe mạnh, quá trình sản xuất thuốc kháng ung thư chỉ được tiến hành khi vi khuẩn đã xâm nhập và bắt đầu phát triển bên trong khối u. Sau đó, ngay khi chúng đã tạo ra thuốc, chế độ tự tiêu diệt sẽ được kích hoạt để ngăn ngừa sự bùng nổ ngay khi số lượng của chúng chạm ngưỡng. Chế độ này vừa giúp phóng thích thuốc, vừa làm giảm số lượng vi khuẩn. Tuy nhiên, một tỉ lệ vi khuẩn nhất định vẫn còn sống để khôi phục dân số của chúng. Cứ như vậy số lượng vi khuẩn tăng lên đủ để kích hoạt chế độ tự tiêu diệt lần nữa, và vòng tuần hoàn lại tiếp tục. Chương trình này có thể điều chỉnh để cung cấp thuốc theo bất kỳ lịch trình nào tốt nhất để tiêu diệt khối u.
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.
Phương pháp đầy hứa hẹn này đã được thử nghiệm trên chuột. Các nhà khoa học không chỉ loại bỏ thành công khối u lympho bằng cách tiêm vi khuẩn vào khối u, mà mũi tiêm này còn kích thích hệ miễn dịch, giúp tế bào miễn dịch nhận diện và tấn công các u lympho chưa được điều trị ở những vị trí khác của chuột.
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.
Khác với những liệu pháp khác, vi khuẩn không nhắm vào một loại ung thư cụ thể, mà chúng tấn công tất cả các khối u rắn có chung đặc điểm. Liệu pháp lập trình vi khuẩn không chỉ giới hạn trong điều trị ung thư. Mà liệu pháp này còn được xem như những cảm biến tinh vi trong việc theo dõi bệnh tật trong tương lai. Các lợi khuẩn có thể sống dưới dạng bất hoạt trong đường ruột của chúng ta, nơi chúng sẽ phát hiện, ngăn chặn và điều trị các rối loạn trước khi các bệnh này biểu hiện thành triệu chứng.
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.
Những tiến bộ trong công nghệ đang tạo ra một tương lai đầy hứa hẹn của việc cá thể hóa điều trị bằng cách sử dụng các robot siêu nhỏ. Nhờ vào hàng tỉ năm tiến hóa chúng ta có thể đã nắm giữ khởi điểm là hình thái sinh học không ngờ tới của vi khuẩn. Và khi kết hợp thêm với sinh học tổng hợp, thì ai biết được điều bất ngờ gì sẽ sớm xảy ra.