Lebende Geheimschrift

InfoBiology: Forscher machen Bakterien zu Geheimnisträgern, die ihre Botschaft zum programmierten Zeitpunkt freigeben, um sie danach wieder zu vergessen

Escherichia Coli ist unter den Bakterien normalerweise das nette Mädchen von nebenan. Als Bewohner der Darmschleimhäute garantiert es für eine gute Nachbarschaft, indem es sich so intensiv vermehrt, dass für ungebetene Gäste einfach kein Platz mehr ist. Nur, wenn das stäbchenförmige, begeißelte Bakterium mal ausgeht, in die Harnröhre etwa oder in den Bauchraum, kehrt es seine unangenehmen Seiten hervor und macht seinen Besitzer krank. Außerdem gibt es einige Stämme, die sich auch an ihrem ursprünglichen Wohnraum unsozial verhalten und Krankheiten verursachen. Erst kürzlich brachte das EHEC, das enterohämorrhagische E. coli, seine Familie sogar in die weltweiten Schlagzeilen.

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E. Coli gehört dabei zu den am besten studierten Kleinstlebewesen. So wissen die Biologen nicht nur, dass sich der bis zu sechs Mikrometer lange Organismus von Zucker und Aminosäuren ernährt - sie haben auch festgestellt, dass E. coli sich einer Nahrungsquelle gezielt nähern kann. Dabei weichen die Bakterien zum Beispiel sogar schädlichen Säurekonzentrationen aus. Ob Sauerstoff vorhanden ist oder nicht, ist E. coli egal: Bei Bedarf wechselt es zwischen aerober und anaerober Energiegewinnung.

Escherichia coli. Foto: Rocky Mountain Laboratories, NIAID

Dass auch über die genetische Ausstattung von E. coli so viel bekannt ist, haben Forscher nun für einen ganz speziellen Zweck ausgenutzt: In den Veröffentlichungen der US-Akademie der Wissenschaften (PNAS) beschreiben US-Chemiker in einem Aufsatz, wie es ihnen gelungen ist, die Bakterien zur Speicherung und Übertragung von Informationen einzusetzen.

Die Forscher nennen ihr Gebiet InfoBiology - also die Nutzung der Biologie zu informationstechnischen Zwecken. Es gibt da bereits einige Ansätze, vor allem im Zusammenhang mit der DNA-Forschung. Zum einen wären da de DNA-Computer, bei denen Genstränge "Berechnungen" vornehmen.

Zum anderen gehört es bereits zu den üblichen Verfahren, auf nicht kodierenden Genabschnitten zusätzliche Informationen unterzubringen, die zum Beispiel die Funktion eines Wasserzeichens haben können. So lässt sich dann nachweisen, dass Konkurrenz-Unternehmen sich unfairer Mittel bedient haben oder aber ein bestimmtes Merkmal erfolgreich im Erbgut einer gentechnisch veränderten Pflanze untergekommen ist.

Die Verfasser des PNAS-Papers nutzen Gentechnik ebenfalls, aber eher als Werkzeug. Sie erzeugten E.coli-Stämme, die in sieben verschiedenen Farben fluoreszierende Eiweiße produzieren. Jede dieser Farbvarianten generierten die Forscher außerdem in jeweils einer Version, die ohne Zusatzbedingungen fluoresziert, und eine andere, die das Farb-Protein erst unter dem Einfluss eins Zusatzstoffes erzeugt. Die so konstruierten Bakterienstämme sind gewissermaßen die Tinte, mit der die Wissenschaftler nun ihre Botschaften erzeugen konnten - die Technik nennen sie übrigens SPAM (Steganography by Printed Arrays of Microbes). Dazu müssen die zu übermittelnden Daten lediglich in einen Siebener-Code übertragen werden.

Das so entstehende Muster "druckt" man auf einen Träger, der zunächst keinerlei Information zeigt. Erst, wenn sich die Bakterien ausreichend vermehrt haben, lässt sich unter der passenden Beleuchtung das fluoreszierende Muster nachweisen. Diesen Prozess kann man auch beliebig verzögern, wenn man die Bakterienstämme mit induzierter Fluoreszenz verwendet.

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Wie lange die Botschaft erhalten bleibt, hängt von den Eigenschaften der fluoreszierenden Eiweiße ab. Interessant dabei ist, dass es auch Genvarianten gibt, unter deren Einfluss die Bakterien ihre Fluoreszenz nach gewisser Zeit ändern - wer den Code nicht zur exakt richtigen Zeit abliest, geht also leer aus, die Nachricht zerstört sich selbst. Zudem ist es möglich, den Bakterien gewisse Resistenzmerkmale mitzugeben. Die korrekte Botschaft wäre dann nur abzulesen, wenn man die Anordnung auf das passende Medium überträgt oder mit dem richtigen Stoff (dem Schlüssel) behandelt.

Ein Nachteil von SPAM, das geben die Forscher zu, ist die derzeit noch recht geringe Informationsdichte. Sie ließe sich erhöhen, indem man weitere Dimensionen hinzufügt: Etwa die Stämme gegen eine Kombination verschiedener Antibiotika resistent macht. Dieses Vorgehen ist nur insoweit begrenzt, als man dem Organismus nicht beliebig viel zusätzliche Gen-Information einsetzen kann.

Die Forscher haben allerdings schon begonnen, auch multizelluläre Organismen wie Pflanzen auf Eignung für SPAM zu untersuchen. So könnte ein Strauß roter Rosen in Zukunft nicht nur die Botschaft "Ich liebe dich" tragen, sondern insgeheim auch alle Details zu einer Verabredung in der kommenden Woche. (Matthias Gräbner)

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