Lebendige Schaltkreise

US-Wissenschaftler konnten Bakterien verwenden, um logische Gatter zu bauen

Was ist der Unterschied zwischen Bakterien und Chips? Bakterien wie E. coli sind nicht nur höchst komplexe und lebendige Verarbeiter von Stoffen und Daten, sie sind auch enorme Speicher. Nach Schätzungen der Halbleiterindustrie wird die Speicherdichte von Siliziumchips bis zum Jahr 2014 24,5 Gigabits pro Quadratzentimeter erreichen. Aber das ist gar nichts, sagen die Mikrobiologen Gary Sayler und James Fleming vom Center for Environmental Biotechnology an der University of Tennessee sowie der Elektroingenieur Michael Simpson vom Oak Ridge National Laboratory, ebenfalls in Tennessy. Eine Escherichia coli Zelle mit einem Chromosom von 4,6 Mbp (Millionen von Basenpaaren) hätte mit etwa 920 Terabits pro Quadratzentimeter eine 38000 Mal höhere Speicherdichte. Also haben die Wissenschaftler damit begonnen, mit Bakterien anstelle von Transistoren logische Gatter zu bauen.

Logische Gatter sind die Schaltungen, die binäre Inputsignale (0 und/oder 1) zu einem Outputsignal (entweder 0 oder 1) verarbeiten. Die grundlegendsten logischen Gatter sind die UND-, die ODER- oder die XOR-Verknüpfung (eXclusive OR oder Antivalenz-Gatter). Das Ergebnis von UND ist nur dann wahr, wenn beide Inputs wahr sind, bei ODER muss mindestens ein Inputsignal wahr sein, bei XOR darf nur ein Inputsignal wahr sein. Aus der Kombination solcher logischer Gatter können Computer höchst komplizierte Aufgaben ausführen.

Den Wissenschaftlern ist es gelungen, genveränderte Bakterien der Art Pseudomonas putida dazu zu bringen, UND- sowie XOR-Gatter zu bilden. Anstatt der elektrischen Impulse werden dafür chemische Substanzen verwendet. Damit werden Transkriptionsmodule für Gene angeschaltet, die deren Aktivität steuern. Das Genom einer Zelle umfasst zwar alle genetischen Informationen, die dem Gesamtorganismus zugrundeliegen, aber in einer bestimmten Zelle sind zu einer bestimmten Zeit immer nur einige Gene angeschaltet. Die aktiven DNA-Gene werden zunächst in mRNA-Moleküle transkribiert, die der Herstellung der Proteine oder Enzyme zugrundeliegen. Gesteuert werden diese Prozesse durch die sogenannten Promotoren.

Für die Verwendung von Bakterien als logische Gatter haben die Wissenschaftler Transkriptionsgene geschaffen, die sich an Promotorelemente binden. Diese Promotoren steuern die Expression des Gens, das dem logischen Gatter als Input dient. Sowohl für das UND- als auch für das XOR-Gatter werden zwei Transkriptionseinheiten genutzt, die dasselbe Enzym codieren. Das ist in diesem Fall ein bakterielles Enzym, das leuchtet. Bei dem UND-Gatter müssen die beiden chemisch aktivierbaren Promotoren an sein, wodurch ein Gen veranlasst wird, ein Protein zu erzeugen, das wiederum die Voraussetzung dafür ist, dass das Enzym hergestellt wird. Beim XOR-Gatter ist die Steuerung komplizierter. Nur einer der beiden Promotoren darf an sein und die Transkription eines Gens veranlassen, das zur Herstellung des Enzyms führt. Sind beide an, so schaltet die RNA sich gegenseitig aus, so dass kein Licht durch das Enzym abgegeben wird.

Die Wissenschaftler wollen weitere Gatter zu entwickeln, um irgendwann lebendige Chips bauen zu können, die kompliziertere Aufgaben, beispielsweise Messungen oder Proteinanalysen, durchführen können. Simpson meint, dass dies durchaus möglich ist, weil dadurch nur das ausgebeutet wird, was Zellen sowieso gut können: "Informationen auf molekularer Ebene zu verarbeiten." Man könne in einer einzelnen Zelle auch mehrere logische Gatter einbauen, die nacheinander geschaltet werden. Die Substanzen, mit denen die Promotoren aktiviert werden, würden den normalen Stoffwechsel, der für die Steuerung der Gene benötigt wird, nicht stören, sagte Simpson gegenüber New Scientist. Im Freien und unter Konkurrenzdruck aber hätten diese genveränderten Bakterien keine große Überlebenschance, weil sie ihre Energie auch für Berechnungen, nicht nur für das eigene Überleben aufwenden müssen.

http://www.heise.de/tp/artikel/7/7726/1.html