MIT Ingenieure entwickeln lebende Schaltkreise aus Bakterien

Forscher des Massachusetts Institute of Technology haben Bakterien so manipuliert, dass sie als Transistoren fungieren. Diese lebenden Schaltkreise können auf Nährmedien in Petrischalen gedruckt werden und führen grundlegende logische Berechnungen mithilfe chemischer Signale anstelle von Elektrizität aus.

Funktionsweise

Die am 17. August in Nature Chemical Biology veröffentlichte Studie verwendete das Bakterium Pantoea agglomerans, das häufig auf Pflanzenoberflächen vorkommt. Der Hauptautor Hamid Doosthosseini und der leitende Autor Christopher Voigt, Leiter des Fachbereichs für Bioingenieurwesen am MIT, entwickelten zwei Arten von bakteriellen Transistoren sowie drei Relaisstämme, die molekulare Signale in eine Richtung zwischen den Kolonien weiterleiten.techxplore+2

Das Team druckte die Bakterienkolonien mithilfe eines akustischen Flüssigkeitshandhabungssystems in einem Abstand von etwa fünf Millimetern auf Agarplatten. Die physische Anordnung der Kolonien bestimmt die Funktion des Schaltkreises, was bedeutet, dass Forscher verschiedene Rechensysteme einfach durch Änderung des Layouts aufbauen können, anstatt den genetischen Code neu zu schreiben. Der größte demonstrierte Schaltkreis verband 24 Bakterienkolonien zur Durchführung arithmetischer Berechnungen. Zudem demonstrierte das Team ODER-Gatter, Implikationsoperationen und einen Demultiplexer, der Signale basierend auf einem Steuereingang weiterleitet.news.mit+3

Langsam, aber zielgerichtet

Diese biologischen Schaltkreise arbeiten weitaus langsamer als Siliziumchips, da eine einzelne Berechnung etwa acht Stunden dauert. Die Forscher betonen jedoch, dass die Geschwindigkeit bei biologischen Anwendungen zweitrangig ist, da die Überwachung von landwirtschaftlichen Böden oder der Pflanzengesundheit über Stunden, Tage oder ganze Wachstumsperioden hinweg erfolgt.knowridge+1

"Wir versuchen nicht, Computer zu ersetzen", sagte Voigt laut einer Mitteilung des MIT. Das Ziel ist es, rechnerische Kontrolle direkt in lebende Ökosysteme einzubetten.news.mit

Zukünftige Anwendungen

Das Team stellt sich vor, bakterielle Schaltkreise auf Pflanzenwurzeln oder Blättern zu platzieren, wo sie Dürre, Schädlinge oder Krankheiten erkennen und biologische Reaktionen auslösen könnten, wie etwa die Produktion eines Fungizids. Der Ansatz löst zudem eine langjährige Einschränkung der synthetischen Biologie: Das Hineinpressen zu vieler Funktionen in eine einzelne Zelle kann deren Proteinproduktionsmaschinerie überlasten. Die Verteilung der Berechnungen auf viele spezialisierte Kolonien umgeht diesen Engpass.interestingengineering+2

Die Forschung wurde teilweise von DARPA und IARPA finanziert.interestingengineering