Bioengineering: Forscher verwandeln eine Zelle in einen Dual-Core-Prozessor
Die Zelle ist die Grundeinheit des Lebens und kann unzählige Aufgaben erfinden. Es handelt sich bei ihr um ein wahres Wunderwerk der Natur, der durchaus Ähnlichkeiten mit einem Computer hat. Zellen reagieren auf Eingaben von außen und stoßen Prozesse an, die wiederum in einem bestimmten Output resultieren. Forschern der ETH Zürich ist es gelungen, biologische Konstrukte in menschliche Zellen einzufügen, die wie logische Schaltkreise funktionieren und die Zelle praktisch in einen kleinen Biocomputer verwandeln.
Zwei Biokerne in einer Zelle
Weltweit arbeiten diverse Teams daran, Zellen durch DNA-Manipulation oder synthetische Bauteile so zu manipulieren, dass sie andere Aufgaben erfüllen. Auch komplett künstliche Zellen sind ein Ansatz, der verfolgt wird.
Einer dieser Ansätze ist es, molekulare Implantate in Zellen einzusetzen, die wie biologische Schaltkreise fungieren. Bereits vor ein paar Jahren entstand hierfür eine Art „Rechenkern“, der auf die Präsenz zweier Entzündungsbotenstoffe reagiert und ein miteingeschleustes Gen aktiviert, dass Anti-Entzündungsreaktionen in Gang setzt.
Der Ansatz des Teams um Martin Fussenegger geht noch einen Schritt weiter. Die Forscher haben gleich zwei dieser biologischen Konstrukte in menschliche Zellen eingepflanzt. Dabei machten sie sich eine modifizierte Version der Genschere CRISPR/Cas9 zunutze. Die Forscher schufen so erstmal einen Zellcomputer mit mehr als einem Rechenkern.
Dieses „Dual-Care“-System ist in der Lage, Operationen mit zwei In- und zwei Outputs zu verarbeiten. Damit sind insgesamt drei Reaktionen auf drei verschiedene Zustände möglich: Das Vorhandensein von Botenstoff A, Botenstoff B oder beiden Botenstoffen führt zu einer jeweils verschiedenen Reaktion.
Anwendung in der Medizin
Die biologischen Recheneinheiten bestehen aus speziellen Varianten des Cas9-Proteins, das aus Bakterien isoliert wurde. Die Proteine lagern sich an bestimmten Genabschnitten im Zellkern an und agieren als steuerbare Genschalter, die im Aus-Zustand das Ablesen des Gens verhindern. Wenn es zu einer Eingabe durch eine passende RNA kommt, wird die Transkription wieder in Gang gesetzt und die Zelle produziert die gewünschten Proteine.
Das primäre Anwendungsfeld solcher Bioprozessoren ist die Medizin. „ Wir könnten zudem Rückkopplungen einbauen„, so Fussenegger. So könnte das längere Vorhandensein des Biomarkers B etwa auf die Bildung von Krebsmetastasen hindeuten und eine entsprechende Reaktion auslösen.
Biocomputer sind beliebig skalierbar
Die biologischen Recheneinheiten agieren wie sogenannte Halbaddierer, was einer Verschaltung von UND- und ODER-Gattern entspricht. Diese Halbaddierer bestehen aus jeweils zwei Ein- und Ausgängen und können zwei einstellige Binärzahlen zusammenrechnen. „ In der Elektronik sind Addierer die Hauptbestandteile von logischen Schaltkreisen und damit von Prozessoren. Solche Schaltkreise in biologische Systeme zu integrieren, ist ein signifikanter Schritt hin zu Biocomputer-Systemen„, so die Forscher.
Theoretisch können diese Biocomputer beliebig skaliert werden – auch in Mengen von mehreren Milliarden. „ Man stelle sich ein Mikrogewebe mit mehreren Milliarden Zellen vor und jede davon verfügt über einen Dual-Core-Prozessor. Solche ‚Rechenorgane‘ könnten eine theoretische Rechenkapazität erreichen, die diejenige eines digitalen Supercomputers bei weitem übertrifft – und das mit einem Bruchteil der Energie„, erläutert Fussenegger.
via ETH Zürich
