Wissenschaftler programmierten mit synthetischen Genen neue Bakterien

Bakterien in Petrischale

Bakterienwachstum

Die Natur ist vielleicht der effizienteste Baumeister, den es gibt. Seit Anbeginn des Lebens gibt es unzählige Beispiele für anorganische Komponenten, die mit organischen Materialien arbeiten, um Materialverbunde herzustellen. Nun haben Wissenschaftler der Duke University die Konstruktionsfähigkeiten der Natur für die Entwicklung von 3D-Werkstoffen nutzbar gemacht. In einer Studie in der Zeitschrift Nature Biotechnology beweisen die Forscher, dass es möglich ist, Bakterien so zu programmieren, dass sie ein Gerät bauen, das als Drucksensor fungiert.

Das Wachsen von Materialien mittels zellulärer oder bakterieller Prozesse ist nicht neu, aber die Art und Weise, wie die Duke-Forscher diese unglaubliche Fähigkeit nutzten, ist völlig neuartig. Bisherige Versuche beschränkten sich auf 2D-Strukturen und hingen stark von der externen Kontrolle ab, um Bakterien zum Wachsen zu bringen. Die neue Forschung hat jedoch gezeigt, dass es durchaus möglich ist, die Natur ihre Sache machen zu lassen.

Die Natur ist ein Meister der Herstellung strukturierter Materialien, die aus lebenden und nicht lebenden Komponenten bestehen „, sagte der Forscher Lingchong You, ein Paul Ruffin Scarborough Associate Professor of Engineering bei der Duke UNiversity, in einer Pressemitteilung. „Aber es ist außerordentlich schwierig, die Natur so zu programmieren, dass sie selbstorganisierte Muster erzeugt. Diese Arbeit ist jedoch ein Beweis des Prinzips, dass es nicht unmöglich ist.

Das Forschungstem programmierte einen genetischen Stromkreis in die DNA des Bakteriums. Dieses produzierte ein Protein, das seinen eigenen Ausdruck in einer positiven Rückkoppelungsschleife erlaubte. Es bewirkte bei den Bakterien, dass sie  in eine Kuppel-geformte bakterielle Kolonie gewachsen sind, bis die Nährstoffe verbraucht waren. Die Bakterien setzten auch kleine Moleküle frei, die als Botenstoffe fungierten und in die Umwelt diffundieren konnten. Sobald die Bakterienkolonie ihre kritische Schwelle erreicht hatte, begann sie mit der Produktion von zwei weiteren Proteinen – eines stoppte das Wachstum, während das andere als biologisches Klettband arbeitete, das in anorganische Materialien einrasten konnte.

Biologische Geräte

Es ist Ihrem Team gelungen, ihre hybride Struktur in einen Drucksensor zu verwandeln. Sie lassen die biologischen Velcro-Proteine des Bakteriums auf Gold-Nanopartikel, die eine Schale bildeten, die so groß war wie die durchschnittliche Sommersprosse, einrasten. Die LED-Leuchten wurden dann über Kupferleitungen auf identischen Kuppelstrukturen miteinander verbunden, die sich gegenüberliegend zwischen den einzelnen Membranen befanden. Durch eine Verformung erhöhte sich die Leitfähigkeit der Kuppeln und die LEDs leuchteten auf.

Synthetische Bakterien-Programmierung

Bildnachweis: Will (Yangxiaolu) Cao, Kara Manke, Duke University

„In diesem Experiment konzentrieren wir uns in erster Linie auf die Drucksensoren, aber die Anzahl der Richtungen, in die wir uns bewegen könnten, ist enorm „, erklärte der erste Autor Will (Yangxiaolu) Cao. „Wir könnten biologisch ansprechende Materialien benutzen, um lebendige Schaltkreise zu schaffen. Eine Reihe anderer Studien haben gezeigt, dass es durchaus möglich ist, zelluläre DNA zu programmieren, die populärsten von ihnen haben für die Entwicklung von DNA-Computern und Speichergeräten, die genetisches Material verwenden, erlaubt.“ Ihr Team hat jedoch gezeigt, dass es möglich ist, 3D-Materialien mit einem völlig natürlichen Verfahren zu entwickeln. Zumindest könnte dies zu einer effizienteren und kostengünstigeren Fertigungsmethode werden. Die Größe und Form der Bakterienkuppel kann auch durch Veränderung der Eigenschaften der porösen Membran, in der sie gezüchtet werden, gesteuert werden.

Wir demonstrieren eine Möglichkeit, eine 3-D-Struktur ganz nach dem Prinzip der Selbstorganisation zu konstruieren „, sagte Forscher Stefan Zauscher in der Pressemitteilung. „Diese 3D-Struktur wird dann als Gerüst verwendet, um ein Gerät mit definierten physikalischen Eigenschaften zu erzeugen. Dieser Ansatz ist von der Natur inspiriert, und weil die Natur das nicht allein macht, haben wir die Natur manipuliert, um es für uns zu tun.

Quellen: EurekalertNature Biotechnology

Veröffentlicht in Wissenschaft & Forschung.

Sammy Zimmermanns

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