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Maßgeschneiderte Bio-Maschinen aus dem Computer

Am Computer entworfene Bio-Maschinen aus embrionalen Stammzellen eines Korallenfrosches sollen robuster als mechanische Maschinen sein.

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Aus den Stammzellen eines Korallenfrosches werden Bauteile für Bio-Maschinen gebaut.

(Bild: Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin, Josh Bongard (PNAS))

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Maschinen und andere technische Systeme bestehen fast ausschließlich aus synthetischen Materialien wie Metall oder Kunststoff, weil diese sich leichter formen und verarbeiten lassen als lebende Materie. Dafür gehen solche Konstruktionen aber auch einfacher kaputt: Wenn ein humanoider Roboter stürzt, ist rasch der Einsatz von Schraubenzieher und Lötkolben gefordert, während aufgeschlagene Knie bei Kindern weitgehend von selbst heilen.

Ein US-Forschungsteam hat versucht, das Beste aus beiden Welten zu kombinieren: die Gestaltbarkeit der Technik mit der Anpassungsfähigkeit und Robustheit des Lebens. In der Zeitschrift PNAS berichten die Wissenschaftler um Sam Kriegman (University of Vermont), wie sie mithilfe eines evolutionären Algorithmus zunächst am Computer aus einfachen Bauelementen Maschinen entwarfen, die bestimmte Aufgaben erfüllen sollten: Sie sollten sich fortbewegen, Objekte manipulieren, Objekte transportieren oder kollektives Verhalten zeigen.

Hierfür erzeugte der Algorithmus eine zufällige Auswahl von Entwürfen, die aus passiven Elementen und solchen, die sich zusammenziehen können, zusammengefügt wurden. In einer physikbasierten Simulation wurden diese Konstruktionen auf ihre Tauglichkeit getestet, die schlechtesten durch per Zufall modifizierte Variationen der besseren ersetzt und so in mehreren Durchgängen die besten Designs ermittelt. Diese wurden dann wiederum aus embryonalen Stammzellen des Glatten Krallenfrosches nachgebaut und zeigten nicht nur die gleiche Gestalt, sondern auch das gleiche Verhalten wie ihre virtuellen Vorbilder.

Ein Algorithmus erzeugt Bauteile für die Bio-Maschinen.

(Bild: Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin, Josh Bongard (PNAS))

Die auf diese Weise herstellbaren lebenden Systeme, schreiben die Wissenschaftler, seien "neuartige Zusammenstellungen von Zellen mit neuartigen Funktionen: Oberhalb der zellulären Ebene haben sie wenig Ähnlichkeit mit existierenden Organen oder Organismen". Diese Bio-Maschinen könnten zudem selbst wieder als Bauteile in einem hierarchischen Designansatz dienen.

Als mögliche Anwendungen der Technik sehen die Autoren der Studie die gezielte Ausbringung von Medikamenten oder chirurgische Operationen im menschlichen Körper sowie die Identifikation und Beseitigung von Umweltgiften. Da die Maschinen keinen eigenen Stoffwechsel hätten, sei ihre Lebensspanne von vornherein begrenzt, was zur Sicherheit der Anwendung beitrage.

Nicht zuletzt könne auch die Grundlagenforschung profitieren: "Rekonfigurierbare Organismen könnten als einzigartiges Modellsystem dienen, das Forschungen zur Evolution der Multizellularität ebenso erleichtert wie zur Exobiologie, künstlichem Leben, zu Grundlagen des Denkens und regenerativer Medizin. Ausgestattet mit elektrisch aktiven Zellen und Rechenfunktionen mögen solche Systeme ebenso unser Verständnis vertiefen, wie Intelligenz in lebenden und nicht-lebenden Systemen erzeugt werden kann." (olb)