برنامه‌ریزی باکتری برای تشخیص سرطان (و شاید درمان آن)

شناسنامه سخنرانی
سخنران: تال دانینو
مدت زمان سخنرانی: 4 دقیقه و 11 ثانیه
تاریخ سخنرانی: مارس 2015
کلیدواژه جست‌وجو: Bacteria
کنفرانس: TED 2015

ممكن است ندانید، ولی تعداد باکتری‌های درون بدن ما از تعداد ستاره‌های تمام كهكشان بیش‌تر است. این اجتماع جهانی باکتری‌ها در درون جزیی جدانشدنی از سلامت ما هستند و فناوری با چنان سرعتی پیش‌رفت كرده است كه امروز قادریم باکتری‌ها را نیز مانند کامپیوتر‌ها برنامه‌ریزی كنیم.

شکل 1

دیاگرامی كه مشاهده می‌كنید (شکل 1)، می‌دانم شبیه برنامه بازی فوتبال است، ولی در واقع نقشه ابتدایی از نخستین برنامه یك باکتری است كه توسعه داده‌ام و مانند نوشتن نرم‌افزار قادریم دی‌ان‌ای را بنویسیم و آن را در الگوریتم‌ها و برنامه‌های داخل باکتری‌ها قرار دهیم. این برنامه پروتئین‌های فلورسنتی را به شكلی موزون تولید می‌کند و مولكول كوچكی را به وجود آورده است كه امكان تعامل و هم‌گام‌سازی میان باکتری‌ها را فراهم می‌آورد. این تجمع باکتری‌ها به اندازه فقط یك تار مو است. آن‌چه شما در این‌جا مشاهده نمی‌كنید، برنامه ژنتیك ما است كه به باکتری‌ها دستور می‌دهد تا هر یك مولكول‌های كوچكی را تولید كنند و سپس این مولكول‌ها بین هزاران باکتری حركت ‌كنند و به آن‌ها زمان روشن یا خاموش شدن ‌دهند. باکتری‌ها در این مقیاس به‌خوبی با یكدیگر هم‌گام می‌شوند (شکل 2).

شکل 2

حالا الگوریتم ژنتیك ما بر یك پدیده طبیعی به‌نام «سنجش حد نصاب» استوار است كه باعث می‌شود باکتری‌ها تنها زمانی كه به تعداد مشخصی رسیدند، كاری از پیش برنامه‌ریزی شده و حتی با عوارض جانبی سخت و شدید انجام دهند. در این شکل، می‌توانید مشاهده كنید تجمع رو به رشد باکتری‌ها تنها با رسیدن به حد نصابی مشخص شروع به درخشیدن می‌كنند. الگوریتم ژنتیك ما با بزرگ شدن هرچه بیش‌تر تجمع باکتری‌ها به‌ شكلی موزون اقدام به تولید پروتئین‌های فلورسنتی می‌كند. ما این تجربه را سوپرنوا نامیده‌ایم؛ زیرا بسیار شبیه به انفجار ستاره‌ای است (شکل 3).

شکل 3

حالا در كنار برنامه‌نویسی این الگوهای زیبا، به این موضوع اندیشیدم كه این باکتری‌ها را به چه كار دیگری می‌توان واداشت؟ تصمیم گرفتم بررسی كنم چگونه می‌توان باکتری‌ها را برای تشخیص بیماری‌های درون بدن انسان مانند سرطان برنامه‌ریزی كرد. یكی از حقایق شگفت‌انگیز درباره باکتری‌ها این است كه می‌توانند درون تومورها رشد كنند. این موضوع از این حقیقت ناشی می‌شود كه اصولاً تومورها مكان‌ها و فضاهایی هستند كه سیستم ایمنی بدن به آن‌ها دسترسی ندارد و در نتیجه باکتری‌ها می‌توانند از این فضاها به‌عنوان بهشتی امن برای رشد و نمو استفاده كنند. ما كار را با خوراندن باکتری‌های پروبیوتیك - كه برای سلامتی مفید هستند - به موش شروع و مشاهده كردیم كه این باکتری‌ها به‌طور پیش‌فرض تومور‌های كبدی را برای رشد انتخاب كردند. ما به این نتیجه رسیدیم كه بهترین راه برای نشان دادن حضور باکتری‌ها و در نتیجه مشخص شدن حضور تومور در بدن، برنامه‌ریزی باکتری‌ها برای تولید سیگنالی است كه در ادرار قابل تشخیص باشد. در نتیجه، آن‌ها را به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی كردیم تا مولكولی را تولید كنند كه رنگ ادرار را تغییر می‌دهد تا مشخص شود در بدن سرطان وجود دارد. ما كار را ادامه دادیم تا نشان دهیم این روش و فناوری قادر است به‌طور خاص و با دقت سرطان كبد را تشخیص دهد كه در غیر این‌ صورت تشخیص آن بسیار دشوار است. 

درباره سخنران

تحقیقات تال دانینو بر شناخت نحوه تعامل شبکه ژن‌ها در سیستم‌های بیولوژیک و توسعه قوانین طراحی به‌منظور بازمهندسی رفتارهای بیولوژیک جدید با کاربردهای مفید تمرکز دارد. وی دانشجوی فوق دکتری در دانشگاه MIT در آزمایشگاه فناوری‌های چندمقیاسی تجدیدپذیر است. به‌عنوان یک دانشجوی فوق دکتری، روی استفاده از باکتری‌ها برای معاینه‌های سرطان و درمان آن فعالیت دارد. تحقیقات وی در نشریه‌های علمی همچون ساینس، نیچر و Cell منتشر شده است. دانینو همچنین پروژه‌های Bio-Arts را توسعه می‌دهد که تصاویر و داستان‌هایی از علم را در قالب تابلوهای هنری مجسم می‌سازد. وی در سال 2015 به‌عنوان یکی از اعضای TED پذیرفته شد.

با توجه به این موضوع كه این باکتری‌ها به‌طور مشخص مكان تومورها را تشخیص می‌دهند، آن‌ها را برنامه‌ریزی كردیم تا نه تنها سرطان را تشخیص دهند، بلكه آن را با تولید مولكول‌های تراپیوتیك از داخل محیط تومور درمان كنند كه اندازه تومورها را تقلیل می‌دهد و این كار را با استفاده از برنامه‌های سنجش حد نصاب انجام دادیم كه پیش‌تر صحبت كردیم. آینده‌ای را تصور كنید كه با خوردن یك باکتری پروبیوتیك برنامه‌ریزی شده می‌توانید سرطان و حتی سایر بیماری‌ها را تشخیص دهید و درمان كنید. توانایی ما در برنامه‌ریزی باکتری‌ها و برنامه‌ریزی زندگی افق‌های جدیدی را در برابر تحقیقات حوزه سرطان گشوده است و برای به اشتراك گذاشتن این چشم‌انداز، طی همكاری با ویك مونیز هنرمند، سمبلی از جهان را تنها با استفاده از سلول‌های سرطانی و باکتری‌ها ایجاد كردم (شکل 4).  در نهایت، امیدوارم زیبایی و هدف این دنیای میكروسكوپی بتواند رویكردهای جدید و خلاقانه‌‌ای را در تحقیقات سرطان موجب شود.

شکل 4