Zusammenfassung:
Ein Forschungsteam am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat kürzlich eine „lebende Leiterplatte“ aus Bakterien entwickelt und dabei synthetische Biologie mit elektronischer Technik kombiniert, um einen neuen Weg für zukünftige selbstheilende und programmierbare bioelektronische Systeme zu eröffnen. Diese Errungenschaft zeigt nicht nur die funktionelle Rolle lebender Organismen in Schaltkreisen, sondern bedeutet auch, dass traditionelle elektronische Geräte auf Siliziumbasis möglicherweise einen Paradigmenwechsel gegenüber der biologischen Welt einleiten.
Das Forschungsteam verwendete gentechnisch verändertes Escherichia coli (E. coli) als Grundmaterial, um sein internes Genexpressionsnetzwerk präzise zu regulieren und es den Bakterien zu ermöglichen, auf externe elektrische Signale zu reagieren und logische Operationen durchzuführen. Die Bakterien werden auf einem speziellen biokompatiblen Substrat fixiert und bilden eine Struktur ähnlich einer herkömmlichen Leiterplatte, deren „Drähte“ und „Schalter“ jedoch aus lebenden Zellen bestehen. Wenn eine bestimmte Spannung oder ein chemisches Signal angelegt wird, wird der genetische Schaltkreis im Inneren der Bakterien aktiviert, wodurch fluoreszierende Proteine oder andere nachweisbare Ausgangssignale erzeugt werden, wodurch die Übertragung und Verarbeitung von Informationen realisiert wird.
Im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen Komponenten verfügt dieser biologische Schaltkreis über die Fähigkeit, sich selbst zu reproduzieren, zu reparieren und an die Umgebung anzupassen. Die Forscher wiesen darauf hin, dass Bakterien nach einer Beschädigung ihre Funktionen durch Teilung und Regeneration wiederherstellen können, während Chips auf Siliziumbasis nach einer Beschädigung manuell ausgetauscht werden müssen. Da die Bakterien außerdem bei normalen Temperaturen und Drücken arbeiten können, verbraucht das gesamte System sehr wenig Energie und wird voraussichtlich in implantierbaren medizinischen Geräten, Umgebungsüberwachungssensoren und sogar verteilten Biocomputernetzwerken eingesetzt.
Experimente zeigen, dass die lebende Leiterplatte grundlegende Logikgatterfunktionen (wie „UND“, „ODER“ und „NICHT“) erfolgreich implementiert hat und einfache Rechenoperationen ausführen kann. Das Team demonstrierte auch Signalkaskaden zwischen mehreren Bakterienmodulen und demonstrierte damit das Potenzial, komplexere biologische Computersysteme aufzubauen. Obwohl die aktuelle Rechengeschwindigkeit weit unter der herkömmlicher Chips liegt, sind ihre Vorteile in Bezug auf Biokompatibilität, Nachhaltigkeit und Funktionsvielfalt nicht zu übersehen.
Der Projektleiter sagte, dass sich der nächste Schritt auf die Verbesserung der Stabilität des Kreislaufs, die Verlängerung der Überlebenszeit von Bakterien und die Erforschung der Möglichkeit der Integration mit anderen biologischen Materialien (wie Neuronen oder Gerüsten für die Gewebezüchtung) konzentrieren werde. Langfristig könnte diese Art „lebender Elektronik“ ein zentraler Bestandteil von Mensch-Computer-Schnittstellen, intelligenten Medikamentenverabreichungssystemen und sogar künstlichen Lebensformen werden.
Diese Forschung wurde in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift „Nature Biotechnology“ veröffentlicht und löste in der akademischen Gemeinschaft eine ausführliche Diskussion über das Konzept „Biologie ist Hardware“ aus. Mit der weiteren Integration von synthetischer Biologie und Mikroelektronik könnte es in Zukunft Computer aus Zellen, denkende Organisationen und sogar Roboter mit Stoffwechselfähigkeiten geben.
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