Forschern der Boston University ist es gelungen, menschliche Zellen in eine Art biologischen Supercomputer umzuwandeln, der komplexe Aufgaben erfüllen könnte. Die Technologie könnte beispielsweise eines Tages dazu angewandt werden, menschliche Zellen so zu programmieren, dass sie Krankheiten wie Krebs bekämpfen.


Zellen als Minicomputer

Das Team rund um den Biologen Wilson Wong nutzte menschliche Zellen sowie genetischen Code aus Nierenzellen als Ausgangspunkt, um einen genetischen Schaltkreis zu konstruieren. Sie machten sich dabei einen vorhandenen Mechanismus aus der Genetik zunutze: Einen Promoter. Dabei handelt es sich um eine Nukleotid-Sequenz auf der DNA, die die regulierte Expression eines Gens ermöglicht. Promoter sind ein wichtiger Bestandteil jedes Gens und helfen bei der Transkription von DNA zu RNA.


Die Forscher nutzten ein Enzym namens DNA-Rekombinase als Schere, die als Ein-/Aus-Schalter für bestimmte Gene fungierte. Wong und sein Team fügten vier extra DNA-Schnipsel nach einem Promoter ein. Jeden dieser Schnipsel hatte das Team extra konstruiert – einer davon war etwa dafür zuständig, ein Protein namens grün fluoreszierendes Protein (GFP) zu produzieren, das eine Zelle grün leuchten lässt, wenn es durch einen bestimmten Wirkstoff aktiviert wird.

Auf dem Weg zu komplexen Bio-Computing

Mit ihrer Technologie konnten Wong und sein Team insgesamt 113 verschiedene genetische Schaltkreise konstruieren, indem sie verschiedene Rekombinasen mit unterschiedlichen Zielsequenzen einsetzten. So gelang es ihnen etwa, eine Boolesche Lookup-Tabelle aus menschlichen Zellen zu entwerfen, wobei ein Schaltkreis mit 6 verschiedenen Inputs zum Einsatz kam. Diese Inputs können unterschiedlich kombiniert werden und lösen eine von 16 verschiedenen logischen Operationen aus.

Es gelang in der Vergangenheit bereits, simple Biocomputer herzustellen. So konnte ein Team von Wissenschaftlern Zellen beispielsweise beibringen, bei fallendem Sauerstofflevel aufzuleuchten. Diese einfachen Biocomputer waren aber auf relativ einfach zu manipulierende Gene wie etwa E.coli beschränkt. Der Einsatz von Säugerzellen als genetische Schaltkreise ist deutlich schwieriger, weil ihre Fähigkeit, bestimmte Gene ein- oder auszuschalten auf komplizierte Transkirptionsfaktoren beruht. Der Einsatz von DNA-Rekombinase half Wongs Team, dieses Problem anzugehen.

Den Forschern gelang es bisher nicht, den Zellen Computing-Verfahren beizubringen, die tatsächlich in der Praxis nützlich wären, aber ihre Arbeit ebnet den Weg in Richtung komplexeres Biocomputing. Menschliche Zellen so zu beeinflussen, dass sie komplexe Computing-Aufgaben erfüllen können, könnte die medizinische Forschung weit voranbringen. Eines Tages könnte es möglich sein, so verbesserte Krebs-Therapien zu entwickeln. So wäre es beispielsweise möglich, T-Zellen so zu programmieren, dass sie von Biomarkern markierte Krebszellen bekämpfen. Außerdem könnte die Technologie dabei helfen, Gewebe sozusagen auf Bedarf zu züchten, um es als Transplantat zu benutzen.

via Science | AAAS

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