Roboworm: Forscher verwandeln Würmer in Bio-Roboter

Wissenschaftler steuern optogenetisch veränderte Würmer mit Lasern durch ein Labyrinth.

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(Bild: Dong et al.)

Von
  • Wolfgang Stieler

Kanadische Wissenschaftler haben ein Computersystem gebaut, das die Bewegungen eines gentechnisch veränderten Fadenwurms (Caenorhabditis elegans) mit Laserpulsen gezielt steuern kann. Der – lebendige – Wurm wird dabei zu einer Art Zombie-Bioroboter. Mit der in der Fachzeitschrift Science Robotics vorgestellten Arbeit zielen Xianke Dong und Kollegen nach eigenen Angaben „auf keine bestimmte Anwendung“. Die Arbeit ermögliche jedoch zum einen Fortschritte beim Studium der Bewegungssteuerung von Lebewesen und zum anderen weitere Fortschritte bei der Entwicklung von Mikrorobotern für medizinische Anwendungen.

Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans wird vor allem in der Entwicklungsbiologie und der Genetik verwendet, weil er ein einfach strukturiertes, gut dokumentiertes Nervensystem besitzt. Der Wurm, der etwa einen Millimeter lang und rund 65 Mikrometer dick wird, lebt normalerweise im Boden und ernährt sich von Bakterien. Um den RoboWorm zu erzeugen, verwendeten Dong und Kollegen einen gentechnisch veränderten Stamm von C. elegans, bei dem die Muskelzellen über Ionenkanäle verfügen, die auf Licht reagieren. Wenn die Muskeln des Wurms mit einem blauen Laser beleuchtet werden, öffnen sich die Kanäle, Kalzium-Ionen strömen in die Zellen und die Muskeln ziehen sich zusammen. Gleichzeitig lähmten die Forscher die neuromuskulären Signale des Wurms mit einem Antiparasitikum.

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Um die Fortbewegung des Wurm zu steuern, beleuchteten die Forscher dann die Seiten des Wurms abschnittsweise, so dass das Tier sich in einer charakteristischen S-förmigen Weise krümmte. Lässt man die Kontraktionen zeitlich versetzt über die Seite laufen, schlängelt sich der Wurm vorwärts.

Weil die Bewegung der Tiere jedoch zu unregelmäßig ist, lässt sich die notwendige Phasenverschiebung zwischen den Kontraktionen nicht einfach mit einer mathematischen Funktion modellieren. Die Forscher bauten daher in ihr System eine Rückkopplung ein: Eine Software mit Bildverarbeitung verfolgt die Bewegungen der Tiere und steuert die Laserposition und das Lichtmuster.

Auf diese Weise konnten die Forscher die Würmer vorwärts und rückwärts treiben und – indem sie die Intensität bestimmter Laserstrahlen und damit die Stärke bestimmter Muskelkontraktionen veränderten – auch um enge Kurven. Um die Leistungsfähigkeit ihres Systems zu demonstrieren, steuerten die Forscher Würmer sogar durch ein einfaches Labyrinth aus Plastik, das auf ein Agarsubstrat gelegt wurde.

Der RoboWorm in Aktion (Video: Dong et al.)

Tatsächlich sind Dong und seine Kollegen allerdings nicht die ersten, die Würmer mit Hilfe von Optogenetik steuerten. Bereits 2011 zeigte ein Team der Harvard University eine ganz ähnliche Arbeit. Allerdings konzentrierten sich die Forscher um Aravinthan D.T. Samuel seinerzeit darauf, bestimmte Nervenzellen der Fadenwürmer per Laserlicht zu aktivieren, um so ein gewünschtes Verhalten auszulösen. Ein Neuron am Kopfende des Wurms reagiert zum Beispiel auf Berührung – aktivierten die Forscher dieses Neuron mit Licht, begann der Wurm rückwärts zu kriechen. Ein anderes aktiviertes Neuron stimulierte die Würmer gar dazu, ein Ei zu produzieren.

(wst)