Wie aus Bakterien umprogrammierbare Leiterplatten werden

Was wie eine gewöhnliche Petrischale aussieht, kann künftig als biologische Rechenplattform dienen: Forschende am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben genetisch veränderte Pantoea agglomerans so konstruiert, dass ihre Kolonien transistorähnliche Aufgaben übernehmen. Statt Elektronen bewegen sie kleine Moleküle durch das Wachstumsmedium und verarbeiten dadurch chemische Signale.

Der entscheidende Kniff: Die Berechnung steckt nicht vollständig in der DNA. Sie entsteht auch durch die Position der einzelnen Bakterienkolonien. Werden dieselben Stämme in einem anderen Muster gedruckt, kann daraus eine andere Schaltung werden.

Bakterien übernehmen die Rollen von Transistoren und Leitungen

Das MIT-Team entwickelte zwei unterschiedliche, transistorähnliche Bakterienstämme. Der eine wird durch das Signalmolekül OC-6 aktiviert, der andere durch dasselbe Molekül unterdrückt. Beide Stämme reagieren außerdem auf OC-12 und können unter den jeweils passenden Bedingungen das chemische Ausgangssignal OHC-14 erzeugen.

Drei weitere Stämme fungieren als Relais. Sie verarbeiten OHC-14 und wandeln es in Signale um, die nachgeschaltete Transistor-Kolonien erkennen können. In einem elektronischen Schaltkreis würden Leitungen die Signale zwischen den Bauteilen transportieren. Hier übernehmen Relaiskolonien diese Verbindungsarbeit, indem sie molekulare Nachrichten durch das Nährmedium weitergeben.

Diese Aufteilung löst ein bekanntes Problem biologischer Schaltungen: Wird eine große Zahl von Funktionen in eine einzige Zelle gepackt, benötigt die Zelle für jede zusätzliche Regulation weitere molekulare Maschinerie. Zu viele Funktionen können sich gegenseitig stören und die Zelle durch eine hohe Proteinproduktion belasten. Spezialisierte Kolonien müssen dagegen jeweils nur ihre lokale Aufgabe erfüllen.

Das Layout wird zum Teil des Programms

Die Forschenden druckten die Bakterien als einzelne Punkte auf Agar. Benachbarte Kolonien lagen dabei ungefähr fünf Millimeter voneinander entfernt. Die Abstände erleichterten es, chemische Signale von einer Kolonie zur nächsten weiterzugeben.

Der Versuchsablauf begann mit dem Entwurf eines Drucklayouts. Anschließend wurden die einzelnen Stämme auf Selektivagar kultiviert, vorbereitet und in einem Multiwell-Format für den Druck bereitgestellt.

Welche Kolonie an welcher Position sitzt und welche Nachbarn sie hat, bestimmt damit, wie die Informationen durch die Schaltung fließen. Für eine neue Rechenaufgabe musste das Team die zugrunde liegende DNA nicht neu schreiben. Es genügte, die räumliche Anordnung und die Identität der gedruckten Kolonien zu verändern.

Die Programmierung verschiebt sich dadurch teilweise von der Genetik zur physischen Montage: Die DNA legt fest, was ein Stamm grundsätzlich kann; das Druckmuster entscheidet, wie diese Fähigkeiten miteinander verbunden werden.

Von OR-Logik bis zum Volladdierer

Die Plattform wurde mit zunehmend komplexeren Schaltungen getestet. Dazu gehörten:

• OR-Logik: Ein Ausgangssignal wird erzeugt, wenn mindestens eines von mehreren Eingangssignalen vorliegt.
• Implikationsartige Operationen: Eingänge werden nach einer bedingten logischen Beziehung miteinander verknüpft.
• Ein 1-zu-4-Demultiplexer: Ein Eingangssignal wird abhängig von Steuersignalen an einen von vier möglichen Ausgängen geleitet.
• Arithmetische Schaltungen: Das Team demonstrierte unter anderem Halbaddierer- und Volladdierer-Anordnungen.

Der gezeigte Volladdierer bestand aus 24 gedruckten Kolonien. Damit demonstrierte die Studie, dass die Berechnung auf eine kooperierende Bakteriengemeinschaft verteilt werden kann, anstatt eine einzelne Zelle mit sämtlichen Funktionen zu überladen.

Acht Stunden Rechenzeit: langsam für Silizium, sinnvoll für Biologie

Eine Berechnung dauerte ungefähr acht Stunden. Im Vergleich zu Siliziumelektronik ist das extrem langsam: Herkömmliche digitale Schaltungen arbeiten auf elektronischen Zeitskalen, die um viele Größenordnungen kürzer sind. Als Ersatz für Prozessoren oder für gewöhnliche digitale Rechenaufgaben sind die Bakterienschaltungen daher nicht gedacht.

Ihr möglicher Vorteil liegt an anderer Stelle. Sie könnten biologische oder chemische Zustände direkt an dem Ort erkennen, an dem eine Reaktion nötig ist, und anschließend eine biologische Antwort auslösen. Trockenstress bei Pflanzen, Schädlingsbefall oder die Entwicklung einer Krankheit erstrecken sich typischerweise über Stunden oder Tage. Für solche Prozesse kann eine Reaktionszeit von etwa acht Stunden durchaus relevant sein.

Die Plattform tauscht also Geschwindigkeit gegen biologische Einbindung. Sie soll nicht schneller rechnen als ein Computer, sondern Signale in einer lebenden Umgebung selbstständig kombinieren und dort eine passende Reaktion anstoßen.

Mögliche Anwendungen an Wurzeln und Blättern

Als eine mögliche Zukunftsanwendung nennen die Forschenden pflanzennahe Umgebungen. Ein biologischer Schaltkreis auf einer Wurzel oder einem Blatt könnte Signale für Trockenheit, Insektenbefall oder Krankheitserreger miteinander verknüpfen und nur bei der richtigen Kombination reagieren.

Denkbar wäre beispielsweise, die Produktion einer fungiziden Substanz oder eines anderen pflanzenschützenden Wirkstoffs auszulösen. Das ist bislang eine Forschungsperspektive und noch kein fertiges landwirtschaftliches Produkt. Sie zeigt jedoch, warum chemisches Rechnen auch dann nützlich sein kann, wenn es elektronischen Prozessoren deutlich unterlegen ist.

Eine zusätzliche Programmierebene für die Synthetische Biologie

Bei klassischen genetischen Schaltungen lautet die zentrale Frage oft, wie viele Funktionen in einer einzelnen Zelle untergebracht werden können. Der MIT-Ansatz stellt sie anders: Welche Aufgaben sollten auf verschiedene Zellpopulationen verteilt werden, und wie müssen diese Populationen angeordnet sein?

Die Trennung kann die Belastung einzelner Zellen verringern und macht das physische Layout zu einer zusätzlichen Programmierebene. Die genetische Konstruktion definiert die Fähigkeiten eines Stamms, der Druckvorgang legt die Verbindungen fest. So entsteht eine rekonfigurierbare biologische Plattform aus einer kleinen Bibliothek spezialisierter Bauteile, statt für jede neue Logikschaltung einen vollständig neuen Stamm entwickeln zu müssen.

Die Forschung wurde unter anderem von der US-amerikanischen Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) und der Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) finanziert.