Sebuah tim dari Universitas Waterloo sedang memprogram ulang bakteri untuk menyerang dan menghancurkan tumor padat dari dalam. Pendekatan biologi sintetis mereka suatu hari nanti dapat mengubah mikroba tanah biasa menjadi pengobatan kanker yang sangat tepat sasaran.
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Universitas Waterloo sedang mengubah bakteri tanah biasa menjadi sekutu potensial dalam melawan kanker, dengan merekayasanya agar menyerang dan secara harfiah memakan tumor dari dalam.
Pekerjaan, diterbitkan in Biologi Sintetis ACS, berpusat pada Clostridium sporogenes, bakteri yang hanya berkembang biak di tempat yang tidak ada oksigen. Hal itu menjadikan inti tumor padat, yang dipenuhi sel-sel mati dan kekurangan oksigen, sebagai tempat persembunyian dan sumber makanan yang ideal.
“Spora bakteri memasuki tumor, menemukan lingkungan yang kaya nutrisi dan minim oksigen, yang disukai organisme ini, sehingga bakteri mulai memakan nutrisi tersebut dan tumbuh membesar,” kata Marc Aucoin, seorang profesor teknik kimia di Waterloo, dalam siaran pers. “Jadi, kita sekarang mengkolonisasi ruang pusat tersebut, dan bakteri pada dasarnya membersihkan tubuh dari tumor.”
Selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah mengeksplorasi cara menggunakan bakteri untuk menargetkan kanker, karena mikroba secara alami dapat menuju ke area yang sulit dijangkau dan tumbuh di tempat yang sulit ditembus oleh banyak obat. Namun, mengendalikan di mana dan kapan bakteri tumbuh telah menjadi tantangan keamanan utama, terutama di bagian tubuh yang kaya oksigen seperti aliran darah dan jaringan sehat.
Pendekatan tim Waterloo mengatasi masalah itu secara langsung.
Clostridium sporogenes hanya dapat tumbuh di lingkungan yang sama sekali tidak mengandung oksigen, sehingga bakteri ini berkembang biak di bagian tengah tumor yang mati dan tanpa oksigen. Namun, saat bakteri menyebar ke arah tepi tumor, mereka menghadapi kadar oksigen yang rendah dan mati sebelum dapat menyelesaikan tugasnya.
Untuk memperluas jangkauan bakteri agar dapat menyerang lebih banyak bagian tumor, para peneliti pertama-tama menambahkan gen dari bakteri terkait yang lebih toleran terhadap oksigen. Penambahan genetik tersebut membantu mikroba hasil rekayasa genetika bertahan lebih lama di dekat daerah terluar tumor, di mana kadar oksigen lebih tinggi tetapi masih lebih rendah daripada di jaringan normal.
Namun, sekadar membuat bakteri lebih toleran terhadap oksigen akan meningkatkan risiko bakteri tersebut tumbuh di tempat yang seharusnya tidak mereka tempati, seperti organ yang sehat. Untuk mencegah hal itu terjadi, tim tersebut beralih ke proses komunikasi bakteri alami yang disebut quorum sensing.
Quorum sensing bergantung pada sinyal kimia yang dilepaskan bakteri ke lingkungannya. Ketika hanya ada sedikit bakteri, sinyalnya lemah. Seiring bertambahnya populasi, sinyal akan meningkat. Banyak spesies bakteri menggunakan sistem ini untuk mengoordinasikan perilaku kelompok, seperti membentuk biofilm atau memproduksi racun, hanya ketika ada cukup sel untuk membuat upaya tersebut bermanfaat.
Para peneliti Waterloo memanfaatkan fenomena ini sebagai saklar pengatur waktu genetik. Mereka merancang Clostridium hasil rekayasa genetika sehingga gen resisten oksigen hanya aktif ketika banyak bakteri telah tumbuh di dalam tumor dan sinyal penginderaan kuorum mencapai ambang batas tertentu. Dengan cara itu, bakteri memperoleh toleransi oksigen ekstra hanya setelah mereka berhasil mengkolonisasi bagian dalam tumor, mengurangi kemungkinan mereka aktif di bagian tubuh yang kaya oksigen.
In satu studiPara peneliti menunjukkan bahwa Clostridium sporogenes dapat dimodifikasi agar dapat mentolerir oksigen. Dalam sebuah penelitian, tindak lanjut studiTim tersebut menguji sistem penginderaan kuorum mereka dengan memprogram bakteri untuk menghasilkan protein berpendar hijau ketika sinyal diaktifkan. Protein yang berpendar tersebut berfungsi sebagai indikator visual bahwa sirkuit genetik bekerja sesuai yang diharapkan.
“Dengan menggunakan biologi sintetis, kami membangun sesuatu seperti sirkuit listrik, tetapi alih-alih kabel, kami menggunakan potongan DNA,” tambah Brian Ingalls, seorang profesor matematika terapan di Waterloo. “Setiap bagian memiliki fungsinya masing-masing. Ketika dirakit dengan benar, mereka membentuk sistem yang bekerja dengan cara yang dapat diprediksi.”
Kerangka biologi sintetis tersebut memungkinkan para peneliti untuk memperlakukan gen dan elemen pengatur seperti komponen modular, menggabungkannya untuk menciptakan perilaku yang disesuaikan dengan tepat dalam sel hidup. Dalam hal ini, perilaku tersebut adalah sistem berbasis bakteri yang dapat merasakan lingkungannya, berkomunikasi secara internal, dan merespons pada saat yang tepat.
Langkah selanjutnya adalah menyatukan semua bagian. Tim tersebut kini berencana untuk menggabungkan gen resisten oksigen dan mekanisme pengaturan waktu penginderaan kuorum dalam satu strain Clostridium sporogenes dan mengujinya pada tumor dalam uji praklinis. Uji tersebut, yang biasanya dilakukan pada model laboratorium sebelum studi pada manusia, akan membantu menentukan seberapa baik bakteri hasil rekayasa genetika dapat mengecilkan tumor dan seberapa aman bakteri tersebut berperilaku dalam organisme hidup.
Proyek ini berawal dari karya mahasiswa doktoral Bahram Zargar, yang dibimbing oleh Ingalls dan Pu Chen, seorang profesor teknik kimia yang telah pensiun di Waterloo. Sejak itu, proyek ini telah berkembang menjadi kolaborasi yang lebih luas yang mencerminkan penekanan Waterloo pada inovasi kesehatan interdisipliner, menyatukan para insinyur, matematikawan, dan ilmuwan hayati untuk merancang solusi berbasis teknologi yang dapat berpindah dari laboratorium ke tempat tidur pasien.
Para peneliti Waterloo bermitra dengan Center for Research on Environmental Microbiology (CREM Co Labs), sebuah perusahaan di Toronto yang didirikan bersama oleh Zargar. Kelompok ini juga termasuk Sara Sadr, mantan mahasiswa doktoral Waterloo yang memainkan peran utama dalam penelitian tersebut.
Meskipun terapi berbasis bakteri ini masih dalam tahap awal, hal ini menunjukkan masa depan di mana mikroba hidup yang dapat diprogram dapat melengkapi pembedahan, kemoterapi, dan radiasi. Karena bakteri dapat direkayasa untuk mencari lingkungan spesifik dan membawa sirkuit genetik khusus, suatu hari nanti mereka dapat mengirimkan obat langsung ke dalam tumor, mengaktifkan respons imun, atau, seperti dalam penelitian ini, mengonsumsi jaringan kanker itu sendiri.
Jika uji klinis pra-klinis yang akan datang berhasil, Clostridium sporogenes hasil rekayasa genetika dapat semakin mendekati peran sebagai jenis pengobatan kanker presisi baru — yang mengubah mikroba yang dulunya ditakuti menjadi alat penyembuhan yang dikontrol dengan cermat.
Sumber: University of Waterloo