Schweizer Forscher entwickeln Cyborg-Bakterien

In einer Studie, die durch eine Forschergruppe der ETH in Basel des Departements Biosysteme (D-BSSE) durchgeführt wurde, gelang es Wissenschaftlern das Wachstum biotechnologisch manipulierter Bakterien über einen Computer zu steuern. Die Wissenschaftler haben hierzu Kolibakterien biotechnologisch mit einem Bakterienstamm verändert, dessen DNA-Bauplan Gene von Cyanobakterien enthält. Diese sind fähig ihren Stoffwechsel an Licht anzupassen.

Die zelluläre Regulation eines Enzyms in den Kolibakterien, welches mit der Herstellung des Aminosäure Methionin für das Bakterienwachstum verantwortlich ist, wurde mit den Lichtmesssystemen der Cyanobakterien gekoppelt. Das Wachstum der Bakterien lässt sich auf diese Weise durch die unterschiedliche Einwirkung von rotem und grünem Licht vollautomatisch kontrollieren. Dabei bildet das Licht die Schnittstelle zwischen Computer und Bakterien. Die Verbindung zwischen Computer und Organismen besteht aus zwei Schnittstellen. Während der Computer mit den biotechnologisch veränderten Bakterien über das rote und grüne Licht kommuniziert, empfängt der Computer in der Gegenrichtung Informationen zur Wachstumsrate der Bakterienkultur in Echtzeit. Dies erfolgt über eine optische Messung. Das Prinzip stellt eine Möglichkeit in der Optimierung der biotechnologischen Produktion von Molekülen dar. Wird die Kolibakterienkultur durch die Steuerung mit rotem Licht beleuchtet, stoppen die Bakterien entsprechend die Methionin-Produktion, so dass sie langsamer wachsen. Das grüne Licht hingegen regt die Methionin-Produktion und damit das Wachstum entsprechen an. Vor fünf Jahren stellten die Forscher eine auf Licht basierende Schnittstelle zwischen einem Computer und einer Hefezelle her.

ETH-Professor Mustafa Kammash, der aus dem Fachgebiet der Regelungstechnik kommt und gerade im Bereich der Systembiologie und synthetischer Biologie forscht, arbeitet im Feld des Schnittbereichs an der Frage, ob die Möglichkeit besteht, die Regelungstechnik für biologische Systeme von Grund auf zu konzipieren. Kammash liefert dafür zwei Ansätze. Zum einen könne man, wie in dieser Studie auch, Mikroorganismen durch die vorausgesetzte Schnittstelle zwischen Computer und Mikrorganismen von außen steuern. Trotz der eingeschränkten Kommunikationsmöglichkeiten hat dieser Ansatz den Vorteil, dass durch ein externes System leistungsfähige Regulationsrithmen eingesetzt werden können. Das Programm kann außerdem den Bedarf schnell anpassen. Zum anderen versuchen Wissenschaftler künstliche Kontrollsysteme mit molekularen und biochemischen Komponenten im Innern der Zelle zu platzieren. Kammash sieht in der internen Zellsteuerung die günstigeren Bedingungen in therapeutischen Anwendungen und nennt als Beispiel die Zelltherapie. Sie funktioniere ohne zusätzliche Hardware autonom. „Für die biotechnologische Herstellung von Molekülen in einem Bioreaktor hingegen dürfte die externe Steuerung über eine Schnittstelle, wie wir sie hier entwickelt haben, besser umsetzbar sein“, so Kammash.

Was das aktuelle Regulationssystem angeht, war verglichen mit dem jetzigen System damals noch keine gezielte Regulation des Wachstums von Mikroorganismen möglich. Das jetzige System hat sich im Rahmen eines speziellen Tests als äußerst robust und zuverlässig herausgestellt. Selbst durch die Simulation von Störungen außerhalb der Bakterien, wie zum Beispiel die Veränderung der Nährstoffzusammensetzung oder der Temperatur, konnte eine gute Einstellung des Systems beobachtet werden. „Dies alles ist nur möglich, weil wir für die Steuerung modernste, feedback-gesteuerte Regelungsalgorithmen benutzen, wie sie auch in Linienflugzeugen zum Einsatz kommen, etwa um die Flughöhe stabil zu halten“, erklärt Khammash. Durch den Einsatz von zusätzlichen Farbkanälen in der Licht-Schnittstelle schließt Kammash komplexere Steuerungen, wie zum Beispiel die gleichzeitige Regulation mehrerer Enzyme nicht aus. Für die biotechnologische Produktion von Molekülen wäre das eine äußerst effiziente Lösung. Die Relation zwischen der Wachstumsrate der herstellenden Bakterien und die Produktionsrate des gewünschten Moleküls könnte optimal reguliert werden. Somit könnte dem Ziel, möglichst wenige Nebenprodukte zu erhalten Rechnung getragen werden.