Biologisch-digitaler Hybridschaltkreis entwickelt

Wissenschaftler am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) können das Verhalten einzelner Bakterien kontrollieren, indem sie diese an einen Computer anschließen. Mithilfe dieses Setups haben sie einen genetischen Schaltkreis gebaut, der teils biologisch und teils digital ist. Details der Studie wurden in "Nature Communications" veröffentlicht. [...]

Das Experiment der Forscher vom IST Austria, bei dem diese die Genexpression in den Bakterien zum Oszillieren brachten und die Schwingungsmuster durch Anpassung der digitalen Kommunikation zwischen einzelnen Bakterien kontrollierten, diente als Machbarkeitsstudie. Eine mögliche Anwendung einer solchen biodigitalen Hybridtechnologie wäre das „Debuggen“ komplexer biologischer Systeme auf eine ähnliche Weise, wie es bei komplexen Computercodes bereits geschieht: indem man die Komponenten einzeln testet, während die Umgebung in einer Art virtueller Realität simuliert wird.
„Biologische Systeme sind komplex und wir würden davon profitieren, wenn wir sie wie einen Computercode debuggen könnten. Beim Modul- und Integrationstest simuliert man die Umgebung und schließt die einzelnen Komponenten einzeln an, um sicherzustellen, dass sie wie vorgesehen funktionieren. Dann kombiniert man sie paarweise und beginnt von vorne. Auf diese Weise sieht man den Punkt, an dem die Rückkopplungen und Störungen das System zu stören beginnen, und kann es entsprechend anpassen“, so IST-Austria-Biologen Remy Chait. Durch diese Methode ließe sich der virtuelle Teil stetig reduzieren, bis das System wieder voll biologisch ist – und dabei die gewünschte Funktion hat.
Lichtempfindliche Zellen
Die Forscher haben die Umsetzbarkeit von bio-digitalen Hybriden mit einem bio-digitalen Oszillator demonstriert. In ihrem Aufbau produzieren modifizierte E. coli-Zellen ein Protein, das blau-violett fluoresziert. Dieses farbige Licht bildet die Schnittstelle zur digitalen Komponente: Alle sechs Minuten misst der Computer, wie viel Licht die Zelle erzeugt, und akkumuliert proportional dazu ein virtuelles Signalmolekül. Wenn das Signal einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird die Produktion des fluoreszierenden Proteins durch die Zelle abgeschaltet, und zwar mithilfe eines Projektors.
Dieser beleuchtet die lichtempfindlichen Zellen mit rotem oder grünem Licht als „off“- oder „on“-Signal und verbindet somit die digitale Komponente wiederum mit den lebenden Teilen der Schaltung. „Die Zellen interagieren mit der simulierten Umgebung. Was sie tun, beeinflusst, was der Computer tut, und was der Computer tut, beeinflusst die Reaktion der Zelle. Wenn Sie ,Star Trek‘ kennen, ist Ihnen das Holodeck sicher ein Begriff. Was wir gebaut haben, ist im Wesentlichen ein einfaches Holodeck für Gene von Mikroorganismen“, so die Forscher.