Forschungsteam baut Computer aus lebenden Bakterien

Forscher:innen am MIT haben Bakterien so umgebaut, dass sie wie Transistoren arbeiten. Verschaltet zu Kolonien auf einer Agarplatte, bilden sie lebende Schaltkreise, die Signale verarbeiten, verstärken und weiterleiten. Das Team um Christopher Voigt vom Department of Biological Engineering will damit eines Tages Pflanzenblätter oder Wurzeln mit einer Art biologischem Computer überziehen, der auf Trockenheit oder Schädlingsbefall reagiert.

Zellen als Schalter

Klassische synthetische Schaltkreise bauen Forscher:innen bislang komplett in eine einzelne Zelle ein. Diese Zelle exprimiert Proteine und Transkriptionsfaktoren, die miteinander interagieren und so eine Aufgabe wie das Erkennen eines Zielmoleküls übernehmen. Das Problem: Die Zahl verfügbarer Transkriptionsfaktoren ohne gegenseitige Störsignale ist begrenzt, und zu viele Schaltkreise in einer Zelle überlasten deren Produktionsmaschinerie.

Das MIT-Team wählte einen anderen Weg. Anstatt einen ganzen Schaltkreis in eine Zelle zu packen, verteilten die Forscher:innen die Funktionen auf mehrere spezialisierte Bakterienstämme, die sich anschließend beliebig kombinieren lassen. Als Basis dient Pantoea agglomerans, ein Bakterium, das häufig auf Pflanzenoberflächen wächst. Zwei Transistor-Typen reagieren auf ein Molekül namens OC-6: Der eine schaltet sich dadurch ein, der andere aus. Beide erkennen zusätzlich ein zweites Molekül, OC-12, und erzeugen je nach Kombination der beiden Signale ein Ausgangsmolekül namens OHC-14.

Fünf Bausteine, beliebige Schaltungen

Drei weitere Bakterienstämme fungieren als Relais: Sie übersetzen das OHC-14-Signal in eine Form, die der nächste Transistor wieder verarbeiten kann. So lassen sich die Kolonien wie auf einer Leiterplatte miteinander verdrahten. Hamid Doosthosseini, Postdoc am MIT und Erstautor der Studie, bringt es auf den Punkt: Mit nur fünf Bakterienstämmen lässt sich praktisch jede gewünschte Operation aufbauen.

Für ihre Schaltungen drucken die Forscher:innen die Bakterienkolonien im Abstand von etwa fünf Millimetern auf Agarplatten. Weil Signale nur zur jeweils nächsten Kolonie wandern, fließt die Information gezielt in eine Richtung durch das Netzwerk.

Addition, Verzweigung, komplexe Logik

Die größte gebaute Schaltung, eine Addition zweier Eingangssignale, besteht aus 24 miteinander verdrahteten Kolonien. Daneben realisierten die Forscher:innen Multiplexer-Schaltungen, die ein Signal gezielt an einen von mehreren möglichen Ausgängen weiterleiten, sowie verschiedene Logikgatter. Voigt zieht einen kühnen Vergleich: Rechnerisch könnten diese Schaltungen alles leisten, was auch ein Smartphone kann.

Je nach Position im Schaltungslayout übernimmt derselbe Transistor-Typ unterschiedliche Aufgaben: Mal wertet er mehrere Eingänge gleichzeitig aus, mal verknüpft er Signale über ein logisches ODER, mal setzt er eine Implikationslogik um. Ein Beispiel für einen bidirektionalen Schalter zeigt, wie flexibel sich die Bausteine kombinieren lassen: Zwei Transistoren erkennen dabei dasselbe Molekül OC-12, leiten das Ergebnis aber je nach Zustand eines Schaltsignals an unterschiedliche Relaisstämme weiter, die es wiederum an nachgelagerte Transistoren übergeben.

Der große Unterschied zur klassischen Elektronik liegt im Tempo. Eine einzelne Berechnung dauert in den Bakterienschaltungen rund acht Stunden statt Millisekunden. Für biologische Anwendungen reicht das allerdings aus, wie Voigt betont: Wächst eine Pflanze über eine ganze Saison, ist eine Berechnung über Nacht schnell genug. Sein Ziel ist ohnehin kein Ersatz für herkömmliche Computer, sondern eine Rechenschicht direkt in lebendem Gewebe, sei es in Bakterienkolonien auf einer Wurzel oder in der Pflanze selbst.

Einsatz auf dem Feld

Denkbar ist der Einsatz an Pflanzenwurzeln, wo die Bakterien verschiedene Stresssignale erkennen und automatisch reagieren könnten, etwa durch die Produktion eines Fungizids bei erkannter Pilzinfektion. Bis dahin bleibt es bei einem Machbarkeitsnachweis im Labor.

via MIT