Erste Cyborg-Bakterien entwickelt

Forschende des Departements Biosysteme (D-BSSE) der ETH Z¨¹rich in Basel haben einen Cyborg erschaffen ¨C ein Mischwesen aus lebendem Organismus und Maschine. Beim beteiligten Lebewesen handelt sich um das Kolibakterium (Escherichia coli), das in der biologischen Forschung h?ufig verwendet wird, bei der Maschine um einen Computer mit modernster Steuerungstechnik, die das Wachstum der Bakterien regelt. Verbunden sind Organismen und Maschine ¨¹ber zwei Schnittstellen: Der Computer kommuniziert mit rotem und gr¨¹nem Licht, welches die biotechnologisch ver?nderten Bakterien wahrnehmen k?nnen. In der Gegenrichtung funktioniert die Kommunikation ¨¹ber eine optische Messung der Wachstumsrate der Bakterienkultur. Deren Ergebnis wird in Echtzeit in den Computer eingespeist.

?usserst pr?zise Steuerung

Bereits vor f¨¹nf Jahren pr?sentierten die Forschenden gemeinsam mit Kollegen einen einfachen Machbarkeitsnachweis f¨¹r eine auf Licht basierende Schnittstelle zwischen einem Computer und einer Hefezelle. Diese Schnittstelle funktionierte damals aber im Gegensatz zum jetzigen System noch nicht vollautomatisch. ?Ausserdem regulieren wir jetzt erstmals das Wachstum von Mikroorganismen, und zwar auf sehr pr?zise und feinabstimmbare Weise?, sagt Mustafa Khammash, Professor f¨¹r Steuerungstheorie und Systembiologie. Mithilfe der Computersteuerung k?nnen die Wissenschaftler die Bakterienkultur so beeinflussen, dass sie genau nach einer vorgegebenen Kurve w?chst.

Das neue System ist zudem extrem zuverl?ssig und widerstandsf?hig. Die Wissenschaftler testeten, wie die Cyborg-Bakterien auf pl?tzliche St?rungen von aussen reagierten. Dazu ver?nderten sie im Experiment beispielsweise die N?hrstoffzusammensetzung der Bakterienkultur oder die Temperatur. Auf solche St?rungen konnte sich das System ausserordentlich gut einstellen. ?Dies alles ist nur m?glich, weil wir f¨¹r die Steuerung modernste, feedback-gesteuerte Regelungsalgorithmen benutzen, wie sie auch in Linienflugzeugen zum Einsatz kommen, etwa um die Flugh?he stabil zu halten?, erkl?rt Khammash.

?Augen? f¨¹r die Bakterien

Damit sich die Kolibakterien ¨¹berhaupt ¨¹ber Licht steuern lassen, mussten die Forschenden die Mikroorganismen biotechnologisch ver?ndern. Sie verwendeten einen Bakterienstamm, dessen Bauplan unter anderem Gene von Cyanobakterien enth?lt. Cyanobakterien k?nnen ihren Stoffwechsel an Licht anpassen und ¨C wie die Pflanzen ¨C die Energie des Lichts nutzen. In den Kolibakterien koppelten die Basler Bioingenieure die genetischen Lichtmesssysteme der Cyanobakterien mit der zellul?ren Regulation f¨¹r ein Enzym, das die f¨¹r das Bakterienwachstum unerl?ssliche Aminos?ure Methionin herstellt.

L?sst der Steuerungscomputer die Kolibakterienkultur mit rotem Licht beleuchten, f¨¹hrt das dazu, dass die Bakterien die Methionin-Produktion stoppen und dadurch weniger schnell wachsen. Beleuchtung mit gr¨¹nem Licht hingegen regt die Methionin-Produktion und damit das Wachstum an.

Biologische Systeme regeln

ETH-Professor Khammashs urspr¨¹ngliches Fachgebiet ist die Regelungstechnik. Jetzt arbeitet er im Bereich der Systembiologie und der synthetischen Biologie. Seine wichtigste Forschungsfrage ist im Schnittbereich dieser Fachgebiete angesiedelt: Ist es m?glich, Regelungstechnik f¨¹r biologische Systeme von Grund auf zu konzipieren? Cybergenetics nennt er dieses Forschungsfeld.

?Es gibt zwei Ans?tze hierf¨¹r?, sagt Khammash, ?und beide haben Vor- und Nachteile, die je nach Anwendung zum Tragen kommen.? Zum einen k?nne man ¨C wie in dieser Studie ¨C Mikroorganismen mit einem Computer von aussen steuern. Dies bedinge eine Schnittstelle zwischen Computer und biologischem Organismus. Auch wenn die Kommunikationsm?glichkeiten ¨¹ber eine solche Schnittstelle derzeit noch einigermassen bescheiden sind, hat dieser Ansatz einen grossen Vorteil: Dank einem externen Computerprogramm k?nnen leistungsf?hige Regelungsalgorithmen zum Einsatz kommen. Ausserdem kann das Programm den Bedarf sehr schnell anpassen.

In einem zweiten Ansatz versuchen Wissenschaftler ¨C auch solche am D-BSSE ¨C im Innern von Zellen k¨¹nstliche Kontrollsysteme zu platzieren, solche mit molekularen, biochemischen Komponenten. ?Meiner Meinung nach ist f¨¹r therapeutische Anwendungen, beispielsweise in der Zelltherapie, die interne Zellsteuerung langfristig besser geeignet. Denn sie funktioniert ohne zus?tzliche Hardware autonom?, sagt Khammash. ?F¨¹r die biotechnologische Herstellung von Molek¨¹len in einem Bioreaktor hingegen d¨¹rfte die externe Steuerung ¨¹ber eine Schnittstelle, wie wir sie hier entwickelt haben, besser umsetzbar sein.?

Zus?tzliche Farbkan?le

Bislang benutzen die Basler Forscher f¨¹r ihre Licht-Schnittstelle die zwei Farben Gr¨¹n und Rot. Damit steuern sie die Aktivit?t eines einzigen Enzyms. ?In einer Weiterentwicklung k?nnte man sich aber auch komplexere Steuerungen mit zus?tzlichen Lichtkan?len vorstellen?, sagt Khammash. So w?re es denkbar, gleichzeitig mehrere Enzyme zu regulieren. In der biotechnologischen Produktion von Molek¨¹len k?nnte man damit die Wachstumsrate der herstellenden Bakterien und die Produktionsrate des gew¨¹nschten Molek¨¹ls optimal aufeinander abzustimmen. Dies mit dem Ziel, m?glichst viel des gew¨¹nschten Produkts und m?glichst wenige giftige Nebenprodukte zu erhalten.