Bakterien als Transistoren:
Forscher bauen biologische Schaltkreise

Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist es gelungen, Bakterien als biologische Transistoren einzusetzen. Die Mikroorganismen können dabei nicht nur einzelne Signale verarbeiten, sondern zu Schaltkreisen zusammengeschaltet werden.

Verdrahtete Mikroben-Kolonien

In klassischen Computern dienen Transistoren als Schalter, die den Stromfluss steuern. Das MIT-Team übertrug dieses Prinzip auf die Biologie: Die verwendeten Bakterien kontrollieren den Transport kleiner Moleküle, die als Signale zwischen verschiedenen Zellen fungieren. Dafür entwickelten die Forscher zwei unterschiedliche Transistor-Typen sowie drei weitere Bakterienstämme, die als Relais zwischen den Schaltelementen arbeiten, teilte die Universität mit.

Als Grundlage dient die Bakterienart Pantoea agglomerans, die unter anderem auf Pflanzen vorkommt. Die beiden Transistoren reagieren auf bestimmte Moleküle und können abhängig von deren Anwesenheit ein weiteres Signalmolekül erzeugen. Die Relais-Bakterien übersetzen dieses Signal anschließend so, dass es von einem weiteren Transistor verarbeitet werden kann. Auf diese Weise lassen sich die Zellen ähnlich wie elektronische Bauteile miteinander "verdrahten".


Für ihre Versuche druckten die Wissenschaftler Bakterienkolonien auf Agarplatten. Die einzelnen Kolonien wurden mit einem Abstand von rund fünf Millimetern angeordnet. Dadurch gelangten die Signale jeweils nur zur nächsten Kolonie und konnten anschließend weitergeleitet werden. Über mehrere Tage entstand so ein biologisches Schaltbild.

Die Forscher demonstrierten unter anderem logische Operationen mit mehreren Eingängen und entwickelten komplexere Schaltungen, die zwei Signale addieren oder ein Eingangssignal abhängig von einem Steuersignal an unterschiedliche Stellen weiterleiten können. Die größte vorgestellte Schaltung bestand aus 24 miteinander verbundenen Bakterienkolonien.

Immer mit der Ruhe

Allerdings arbeiten die biologischen Schaltkreise deutlich langsamer als elektronische Computer. Eine Berechnung dauert etwa acht Stunden. Für Anwendungen in der Biologie könnte dies dennoch ausreichen, da dort nicht die Geschwindigkeit eines Smartphones erforderlich ist.

Als mögliche Anwendung nennen die Forscher die Landwirtschaft. Entsprechende Bakterien könnten eines Tages auf Pflanzen oder an deren Wurzeln eingesetzt werden, um beispielsweise Trockenstress oder Schädlingsbefall zu erkennen. Wird ein bestimmtes Signal registriert, könnte der biologische Schaltkreis anschließend eine Reaktion auslösen, etwa die Produktion eines Wirkstoffs gegen Pilzbefall. Die Studie wurde in "Nature Chemical Biology" veröffentlicht und unter anderem von US-Forschungsbehörden finanziert.


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