Elektronik

Zellen als Computer

Forscher der ETH Zürich entwickeln informationsverarbeitende Schaltsysteme in biologischen Zellen. Nun wurde zum ersten Mal in menschlichen Zellen eine Oder-Schaltung entwickelt. Diese reagiert auf unterschiedliche Signale.

ETH Zürich Schaltungen Forschung Oder-Schaltung Elektronik

In ihrer Forschung bringen ETH-​Wissenschaftler mathematische und elektronische Ansätze der Informationsverarbeitung in biologische Systeme.

Biologische Zellen sollen dereinst mit künstlichen genetischen Programmen ausgestattet werden, die ähnlich funktionieren wie elektronische Systeme. Solche neuprogrammierten Zellen könnten in unserem Körper medizinische Aufgaben wahrnehmen, etwa Krankheiten diagnostizieren oder therapieren. Eine Anwendung wären veränderte Immunzellen, die Tumorzellen bekämpfen.

In der Mathematik und der Elektronik wird eine solche Funktion als Oder-​Gatter bezeichnet. „Man braucht sie bei Entscheidungsprozessen immer dann, wenn mehrere Sachen zum gleichen Ergebnis führen, wenn man mit unterschiedlichen Inputs zur gleichen Zeit umgehen muss,“ erklärt Jiten Doshi, Doktorand in der Gruppe von ETH-​Professor Yaakov Benenson am Departement für Biosysteme der ETH Zürich. Doshi und Benenson haben zusammen mit Kollegen zum ersten Mal in menschlichen Zellen ein sogenanntes Oder-​Gatter entwickelt. Also eine molekulare Schalteinheit, die ein biochemische Output-​Signal abgibt, wenn sie eines von zwei oder mehreren biochemischen Input-​Signalen misst.

Bisherige in biologischen Zellen umgesetzte Oder-​Gatter waren einfach gestrickt, wie Benenson erklärt. Soll beispielsweise eine Zelle als Antwort auf Signal X oder auf Signal Y einen Wirkstoff ausschütten, so kombinierten Wissenschaftler bisher zwei Systeme: eines, das den Wirkstoff als Antwort auf Signal X ausschüttete, und ein anderes, das den Wirkstoff als Antwort auf Signal Y freisetzte. Im Gegensatz dazu ist das neue Oder-​Gatter der ETH-​Wissenschaftler ein echtes Oder-​Gatter, bei dem es sich um ein einziges System handelt. Wie bei allen biologischen Systemen liegt die Information als DNA-​Sequenz vor. Diese ist beim neuen Gatter wesentlich kürzer, weil es sich um ein System handelt und nicht um zwei separate.

White Paper zum Thema

Von der Natur inspiriert

Um das Oder-​Gatter zu realisieren, benutzen die ETH-​Forschenden die Transkription, jenen zellulären Prozess, bei dem die Information von einem Gen abgelesen und in Form eines Boten-​RNA-Moleküls gespeichert wird. In Gang gebracht wird dieser Prozess von bestimmten Steuerungsmolekülen (Transkriptionsfaktoren), die sich auf spezifische Weise an eine «Aktivierungssequenz» (Promotor) im Anfangsberiech eines Gens heften. Dabei gibt es auch Gene mit mehreren solchen Aktivierungssequenzen. Ein Beispiel dafür ist ein Gen namens CIITA, das bei Menschen vier solche Sequenzen aufweist.

Die ETH-​Forschenden ließen sich von diesem Gen inspirieren und entwickelten synthetische Konstrukte mit einem Gen, das für die Herstellung eines fluoreszierenden Farbstoffs verantwortlich ist und das drei Aktivierungssequenzen hat. An diese Sequenzen heften sich spezifisch jeweils ein bis drei Transcriptionsfaktoren und kleine RNA-​Moleküle. Das Genkonstrukt produziert den Farbstoff, wenn die Transkription über mindestens eine der drei Aktivierungssequenzen gestartet wird – also über die Sequenz 1 oder die Sequenz 2 oder die Sequenz 3. Zur Anwendung kommen soll die zelluläre Informationsverarbeitung vor allem in der medizinischen Diagnostik und Therapie.