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Donnerstag, 14. Dezember 2017

Forschung

Lebende Maschinen werden Realität

Von Silvia von der Weiden | 17. Oktober 2013 | Ausgabe 42

Die synthetische Biologie bedient sich von Natur aus optimierter Bausteine des Lebendigen. Bioingenieure erschaffen so neue Technologien: ob Kleinkraftwerke, die mithilfe elektroaktiver Bakterien Strom erzeugen, oder Displays aus lebenden Leuchtmikroben, die Umweltgifte aufspüren. Sogar am DNA-Computer arbeiten Forscher bereits.

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In Science-Fiction-Welten bevölkern lebende Automaten die Zukunft. Bioingenieure von heute tüfteln an der Umsetzung solcher chimären Konstruktionen. Mit der Idee, Darmbakterien in eine Batterie für die Energieerzeugung zu verwandeln, nehmen zum Beispiel Studenten der Uni Bielefeld am diesjährigen Wettbewerb für synthetische Biologie, der „International Genetically Engineered Machine Competition“ (iGEM), teil. Der Wettstreit richtet sich an Nachwuchsforscher und wird seit 2004 alljährlich vom renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston/USA ausgerichtet.

Das biologische Kraftwerk im Kleinformat könnte künftig einen kleinen Elektromotor antreiben. „In unserem Labor hat die Biobatterie eine Größe von etwa 10 cm x 10 cm“, erklärt Lukas Rositzka vom Bielefelder iGEM-Team.

Erste Erfolge auf dem Weg zum Zellcomputer

Aufgebaut ist diese wie eine übliche Batterie. Mit einem wesentlichen Unterschied: Im Anodenraum der Biobatterie gibt es keine chemischen Elektrolyte, sondern Darmbakterien vom Typ E. coli. Die schwimmen in Nährflüssigkeit und haben sich als Biofilm auf der Elektrode abgesetzt, wo sie sich wohl fühlen.

„Wir füttern sie mit Traubenzucker“, berichtet Rositzka. Da die Mikroben nicht wählerisch sind, verwerten sie aber auch andere Zuckerarten. Diese werden im Stoffwechsel abgebaut und von den Bakterien als Kohlenstoff- und Energiequelle genutzt. Der dabei entstehende Elektronenfluss wird an die Anode und über einen externen Kreislauf schließlich an die Kathode abgegeben. Der externe Kreislauf ist dabei die mit der Batterie betriebene Anwendung, erläutert der Forscher das Prinzip. Nun feilen die Bioingenieure an der Optimierung.

„Um in der Praxis eine möglichst hohe Stromausbeute zu erzielen, müssen wir den Elektronenfluss verbessern“, sagt Rositzka. Dazu greifen die Forscher auf molekulare Bausteine zurück, in denen einzelne Aspekte der Aufgabe schon von Natur aus optimal realisiert sind.

Die biologischen „Legosteine“ liefern andere Organismen. Beispielsweise ein Bakterium namens Geobacter sulfurreducens. Erst vor wenigen Jahren wurde entdeckt, dass die elektroaktive Mikrobe das Leitungsnetz für den Stromtransport selbst produziert, in Form von wenigen Nanometer dicken Proteinfäden.

Im Experiment erwiesen sich die mehrere cm langen Proteinkabel als gute elektrische Leiter. Die genetische Bauanleitung dafür wurde in E. coli eingebaut. Um den Ladungstransport zu optimieren, muss aber an weiteren genetischen Stellschrauben gedreht werden.

Bis November soll die Biobatterie fertig sein, dann geht es zur europäischen Vorentscheidung für den iGEM-Wettbewerb nach Lyon in Frankreich. In den USA treffen anschließend die weltweit zehn besten Teams aufeinander.

„Natürlich hoffen wir, dass unser Ansatz alle überzeugt“, sagt Rositzka. Schließlich besticht die Biobatterie nicht nur durch ihren pfiffigen Aufbau. Da sie ohne giftige Schwermetalle und gefährliche anorganische und organische Elektrolyte auskommt, stehen ihr vielseitige Anwendungen in der Umwelttechnik offen – davon sind die Bielefelder Forscher überzeugt. Zum Beispiel in Kläranlagen, wo der Einsatz einer solchen Biobatterie beim Energiesparen helfen könnte.

Eine andere neue Entwicklung der synthetischen Biologie zielt auf den Einsatz in der Medizin. Mit ihrem künstlichen Organell, das nach dem biologischen Vorbild von sogenannten Peroxisomen Entgiftungsprozesse in den Körperzellen fördert, sehen Forscher der Universität Basel einen ersten Schritt zu biomimetischen Therapiesystemen.

Die Gruppe um Cornelia Palivan hat das auf polymeren Nanokapseln basierende Zellorganell im Fachblatt „Nano Letters“ vorgestellt. Es schließt zwei verschiedene Arten von Enzymen ein, die die bei Stoffwechselprozessen entstehenden Radikale entschärfen. Dabei werden die aggressiven Verbindungen in harmlose Stoffe wie Wasser und Sauerstoff umgewandelt, die dann von lebenden Zellen weiterverarbeitet werden.

Die Hülle der implantierbaren Nanokapseln besteht aus Proteinen der Zellmembran. Das garantiert, dass die künstlichen Organellen in die Zellen integriert werden. In Versuchen mit Zellkulturen überzeugte der Ansatz. „Die Resultate zeigen, dass die künstlichen Organellen von den Zellen aufgenommen werden und dort effizient die natürlichen Peroxisomen im Entgiftungsprozess unterstützen“, so die Forscher.

Der Entschärfung giftiger Hinterlassenschaften dient auch der fingerlange Sensorchip aus lebenden Bakterienzellen, den US-Forscher an der Universität im kalifornischen San Diego entwickelt haben. Das wie ein LED-Chip aussehende Biodisplay zeigt an, ob und in welcher Konzentration Gifte wie Arsen in Probenmaterial aus der Umwelt vorhanden sind. Dazu nutzt es die Stoffwechselaktivität von rund 60 Mio. Bakterienzellen.

Die gentechnisch veränderten Mikroben prägen einen Fluoreszenzstoff aus und reagieren so auf unterschiedliche Konzentrationen des Giftes mit unterschiedlich intensiven Leuchtsignalen.

Die auf dem Träger zu Pixeln angeordneten, winzigen Reaktionsgefäße mit den Leuchtmikroben haben die Forscher so raffiniert miteinander gekoppelt, dass die Lichtpulse synchronisiert werden und die Anordnung unmittelbar als Display einsetzbar ist. Mit einer blinkenden Leuchtanzeige aus Millionen von Bakterienzellen werben die Wissenschaftler jetzt an ihrer Universität für die Anwendung.

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