Auf dem Weg zum Cyborg

Den Wissenschaftlern ging es dabei allerdings nicht um die Schaffung eines Cyborg-Zwitterwesens: Sie versprechen sich von der erfolgreichen Kopplung vielmehr einen direkten Einblick in die biologischen Prozesse, die sich innerhalb einer Zelle abspielen. Dafür scheinen Silizium-Nanodrähte besonders geeignet, weil sie einerseits viel kleiner als die meisten Säugetierzellen sind, aber andererseits eine ähnliche Größe wie viele biologisch bedeutende Moleküle aufweisen. Die Hoffnung der Forscher: Wenn sich externe Sensoren elektronisch an die Zelle anbinden lassen, erhielte man direkten Einblick in die darin stattfindenden Abläufe.

Rasterelektronenmikroskop-Großaufnahme einer embryonalen Mäusestammzelle auf Silizium-Nanodrähten. Die Drähte sind jeweils rund 90 Nanometer dick und sechs Mikrometer lang. (Foto: College of Chemistry, University of California)

Zur technischen Umsetzung des Vorhabens wählten die Wissenschaftler ein sehr einfaches Verfahren: Sie ließen der Natur ihren Lauf und kultivierten die embryonalen Stammzellen von Maus und Mensch auf einem Silizium-Substrat, das von einer Schicht aus Silizium-Nanodrähten bedeckt war.

Dadurch wurden die Drähte ein ganz natürlicher Teil der Zellen. Schon eine Stunde nach dem Ansetzen der Zellkolonien war das Einwachsen der Drähte festzustellen. Es erwies sich, dass die Nanodrähte das Zellwachstum umso weniger stören, je dünner sie sind. Die Zellen überlebten im Durchschnitt mehrere Tage auf dem Substrat - bei Drahtdurchmessern um 30 Nanometer lag die Lebensdauer bei rund fünf Tagen, ein Durchmesser von 400 Nanometern verringerte die Lebenszeit auf einen Tag.

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Wie die eingedrungenen Drähte die Funktionsweise der Zellen beeinflussen, wollen die Forscher im nächsten Schritt untersuchen. Gelungen ist ihnen allerdings schon ein anderer wichtiger Schritt: zu zeigen, dass sich die Stammzellen auf dem Substrat auch ausdifferenzieren lassen. Stammzellen haben ja den Vorteil, sich noch zu jedem beliebigen Zelltyp entwickeln zu können. Den kalifornischen Wissenschaftler gelang es, Stammzellen mit den Nanodrähten in Kontakt zu bringen, die gerade im Begriff waren, sich in Herzmuskelzellen zu verwandeln.

Die Zellen überlebten für mehr als einen Monat, und die typische rhythmische Bewegung des Zellverbands wurde ebenfalls deutlich. Allerdings stand in diesem Fall nur die unterste Zellschicht mit den Nanodrähten in Kontakt. Einen letzten Erfolg gönnte sich das Team noch in Sachen DNS-Transfer: Nachdem das Silizium-Substrat elektrostatisch mit menschlicher Keimsubstanz bedeckt worden war, enthielt ein Prozent der darauf kultivierten Zellen später tatsächlich das durch die DNS spezifizierte Gen.