Bakterien werden zu lebenden Transistoren

Forscher des MIT haben Bakterien entwickelt, die als Transistoren fungieren können. Damit gelang es dem Team, lebende „Leiterplatten“ herzustellen, die auf ein Nährmedium in einer Petrischale gedruckt werden können.

In elektrischen Schaltkreisen fungieren Transistoren als Schalter, die den Strom ein- oder ausschalten können. In den von den Forschern entwickelten biologischen Schaltkreisen steuern bakterielle Schalter den Fluss kleiner Moleküle, die Signale an nachgeschaltete Schaltkreiskomponenten senden.

Das Forschungsteam entwickelte zwei verschiedene Transistoren sowie drei Bakterienstämme, die Informationen zwischen den Transistoren weiterleiten, und verfügt damit über die Bausteine, die es benötigt, um nahezu jede Art von Schaltung zu entwerfen. In einer neuen Studie nutzten sie diese Zellen, um Schaltungen zu erstellen, die zwei oder drei Eingänge addieren oder einen Eingang an eine bestimmte Stelle in der Schaltung weiterleiten können. „Wir haben einige grundlegende Komponenten der Computerarchitektur nachgebaut, die häufig verwendet werden, aber mit diesen fünf Stämmen lässt sich jede beliebige Operation realisieren“, sagt Hamid Doosthosseini, Postdoktorand am MIT und Erstautor der neuen Studie.

Mit diesem Ansatz hoffen die Forscher, Schaltkreise zu entwickeln, die eines Tages Pflanzenblätter oder -wurzeln bedecken könnten, wo sie Rechenoperationen durchführen würden, um Umweltbedingungen wie Trockenheit oder Schädlingsbefall zu erfassen und darauf zu reagieren. Christopher Voigt, Leiter des Fachbereichs Biotechnik am MIT, ist der leitende Autor der Arbeit. Der ehemalige Postdoktorand am MIT, Haorong Chen, ist ebenfalls Mitautor der Arbeit.

Zellen als Transistoren

Bei der Entwicklung von Schaltkreisen der synthetischen Biologie modifizieren Forscher in der Regel Zellen so, dass sie Proteine und Transkriptionsfaktoren exprimieren, die miteinander interagieren, um eine Aufgabe zu erfüllen – beispielsweise das Erkennen eines Zielmoleküls, das dann die Erzeugung eines bestimmten Ausgangssignals auslöst.

Diese einfachen Schaltkreise können verschiedene logische Funktionen ausführen, müssen jedoch einzigartige Transkriptionsfaktoren verwenden, um Übersprechen innerhalb des Schaltkreises zu vermeiden. Die Anzahl der Transkriptionsfaktoren, die für diese Schaltkreise verwendet werden können, ist begrenzt, was die Gesamtkomplexität einschränkt, die in einer einzelnen Zelle erreicht werden kann. Zudem kann das Einbauen zu vieler Schaltkreise in eine Zelle die Proteinproduktionsmaschinerie der Zelle überlasten.

In der neuen Veröffentlichung verfolgten die Forscher einen anderen Ansatz: Anstatt einen kompletten Schaltkreis in eine Zelle einzubauen, entwarfen sie Zellen, die als Transistoren fungieren können. Diese Transistoren lassen sich dann auf unterschiedliche Weise kombinieren, um eine Vielzahl von Schaltkreisen zu bilden.

Aus Zellkolonien werden biologische Leiterplatten

Zur Herstellung der Transistoren wählten die Forscher ein Bakterium namens Pantoea agglomerans, das häufig auf Oberflächen, darunter auch Pflanzen, wächst. Aus diesen Zellen stellten sie zwei Arten von Transistoren her, die durch ein Molekül namens OC-6 ein- oder ausgeschaltet werden können. Bei diesem Signal wird der eine Transistor eingeschaltet, der andere hingegen ausgeschaltet. Jeder Transistor erkennt zudem das Vorhandensein eines Zielmoleküls, in diesem Fall OC-12. Je nachdem, ob dieses Molekül vorhanden ist und ob der Schalter aktiv ist, produzieren die Transistoren ein Ausgangsmolekül namens OHC-14.

Die Forscher verwendeten außerdem drei Stämme von Pantoea agglomerans, um Relais zu schaffen, die das OHC-14-Signal in ein Ausgangssignal umwandeln, das in einen anderen Transistor eingespeist werden kann. Mithilfe dieser Relaisstämme können die Forscher die Transistoren miteinander „verdrahten“, genau wie bei einer elektronischen Leiterplatte.

So könnten sie beispielsweise einen bidirektionalen Schalter mit zwei Transistoren erstellen, die OC-12 erfassen, und diese Information dann je nach Schalteingang an verschiedene Relaisstämme weiterleiten, um sie schließlich in andere Transistoren einzuspeisen, die das Signal weiterverarbeiten.

Die Forscher stellten ihre Schaltkreise her, indem sie Bakterienkolonien auf Platten mit Agar, einem Nährmedium, aufdruckten. Jede Kolonie wurde in einem Abstand von etwa 5 mm zur nächsten aufgedruckt. Dadurch können die Signale nur zur nächsten Kolonie gelangen, die sie dann an die nächste weiterleitet, sodass die Informationen nur in eine Richtung fließen.

Komplexe Berechnungen

In dieser Arbeit stellten die Forscher einen Transistor vor, der je nach seiner Position im Schaltplan verschiedene Arten von logischen Operationen ausführen kann, darunter „Multi-Input“-Gatter, „Oder“-Gatter und „Impliziert“-Gatter. Außerdem kombinierten sie die Transistoren zu komplexeren Schaltungen, die zwei Signale addieren, mehrere Signale gleichzeitig verarbeiten oder als Demultiplexer fungieren können – eine Schaltung, die ein eingehendes Signal empfängt und es je nach Steuersignal an eines von mehreren möglichen Zielen weiterleitet. Die größte dieser Schaltungen, die zwei Eingänge addiert, besteht aus 24 miteinander verbundenen Bakterienkolonien.

„Diese Arbeit zeigt, dass wir komplexere Funktionen erreichen können, indem wir einfachere Funktionen in einzelnen Zellen miteinander verknüpfen“, sagt Voigt. „Rechentechnisch gibt es nichts, was Ihr iPhone leisten kann, was diese Schaltungen nicht auch leisten könnten.“ Schaltungen aus diesen Zellen benötigen etwa acht Stunden für jede Berechnung – deutlich länger als eine Computerschaltung. Für biologische Anwendungen sei dies jedoch ein angemessener Zeitaufwand, so die Forscher.

„Wir versuchen nicht, Computer zu ersetzen, sondern computergestützte Steuerung in die Biologie zu integrieren. Wenn sich Bakterien an der Wurzel einer Pflanze befinden oder die Pflanze selbst die Berechnungen durchführt, ist die Durchführung einer einfachen Berechnung über Nacht im Verhältnis zu einer Vegetationsperiode schnell genug“, sagt Voigt. Wird diese Art von Schaltkreis für den Einsatz in der Landwirtschaft entwickelt, könnte er an den Wurzeln von Pflanzen angebracht werden, um verschiedene Arten von Stress zu erkennen. Sobald ein bestimmter Reiz erkannt wird, würde dies eine Reaktion auslösen, beispielsweise die Synthese eines Fungizids.