In einem Schritt, der die Grenze zwischen Biologie und Ihrem Motherboard verwischt, haben MIT-Forscher Bakterien so manipuliert, dass sie als lebende Transistoren fungieren und biologische 'Leiterplatten' schaffen, die auf eine Petrischale gedruckt werden können. Denn wenn es eines gibt, das wir brauchen, dann ist es mehr Schaltkreise – nur diesmal organisch.

In der konventionellen Elektronik fungieren Transistoren als Schalter, die elektrischen Strom steuern. Im MIT-System tun manipulierte Bakterienzellen etwas Ähnliches, aber statt Elektronen regulieren sie die Bewegung kleiner Signalmoleküle. Diese Moleküle übertragen dann Informationen an andere Komponenten im biologischen Schaltkreis und erschaffen im Wesentlichen ein winziges, matschiges Computernetzwerk.

Die Forscher konstruierten zwei Arten von Bakterientransistoren und drei zusätzliche Bakterienstämme, die als Relais zwischen ihnen fungieren. Zusammen bilden diese fünf Stämme ein modulares Werkzeugset, das angeordnet werden kann, um fast jede Art von Schaltung zu bauen. In ihrer neuen Studie demonstrierten sie Schaltungen, die zwei oder drei Eingaben addieren und eine einzelne Eingabe an ein gewähltes Ziel leiten können. Denn wer braucht nicht einen Bakterienrechner?

'Wir haben einige anfängliche Computerarchitektur-Komponenten gebaut, die üblicherweise verwendet werden, aber jede Operation kann mit diesen fünf Stämmen gebaut werden', sagt Hamid Doosthosseini PhD '25, ein MIT-Postdoc und Hauptautor der Studie. Übersetzung: Die Zukunft des Rechnens könnte leicht nach Agar riechen.

Eine mögliche Anwendung besteht darin, diese lebenden Schaltkreise auf Pflanzenblätter oder -wurzeln zu platzieren, wo sie Umweltinformationen verarbeiten und Pflanzen helfen könnten, Stress wie Dürre oder Schädlingsbefall zu erkennen und darauf zu reagieren. Endlich eine Verwendung für Bakterien, die keine Antibiotika oder verdorbene Lebensmittel beinhaltet.

Christopher Voigt, Leiter der Abteilung für Biologische Technik am MIT, ist der leitende Autor, und das Papier wurde kürzlich in Nature Chemical Biology veröffentlicht. Der ehemalige MIT-Postdoc Haorong Chen trug ebenfalls bei, vermutlich indem er ein paar Stämme benannte.

Synthetische Biologieschaltungen beinhalten typischerweise das Engineering von Zellen, um Proteine und Transkriptionsfaktoren zu produzieren, die interagieren. Diese Systeme können programmiert werden, um Moleküle zu erkennen und Reaktionen zu erzeugen. Ihre Komplexität ist jedoch begrenzt, da jede Operation unterschiedliche Transkriptionsfaktoren erfordert, um Signalinterferenzen zu vermeiden. Es gibt eine praktische Obergrenze dafür, wie kompliziert eine Schaltung innerhalb einer einzelnen Zelle werden kann – wenn man zu viele hineinpackt, überfordert das die Proteinproduktionsmaschinerie. Das MIT-Team umging dies, indem es einzelne Zellen als modulare Komponenten verwendete, anstatt zu versuchen, eine gesamte Schaltung in ein Bakterium zu quetschen.

Für ihre Komponenten verwendeten sie Pantoea agglomerans, ein Bakterium, das häufig auf Pflanzenoberflächen wächst. Sie entwickelten zwei Versionen von Bakterientransistoren, die auf ein Molekül namens OC 6 reagieren – einer schaltet sich ein, wenn er auf das Molekül trifft, der andere schaltet sich aus. Jeder Transistor erkennt auch ein zweites Zielmolekül, OC 12. Abhängig davon, ob OC 12 vorhanden ist und vom Aktivierungszustand des Transistors, produziert die Zelle ein Ausgangsmolekül namens OHC 14. Es ist wie ein molekulares Stille Post, aber mit Chemie.

Das Team entwickelte auch drei Stämme von Pantoea agglomerans, die als Relais fungieren und das OHC-14-Signal in einen anderen Ausgang umwandeln, der als Eingang für den nächsten Transistor dient. Dies ermöglicht es, einzelne Komponenten miteinander zu 'verdrahten', ähnlich wie Teile auf einer elektronischen Leiterplatte. Sie bauten sogar einen bidirektionalen Schalter mit zwei Transistoren, die OC 12 erkennen und Informationen basierend auf einem separaten Schaltereingang durch verschiedene Relais leiten.

Um Schaltungen zusammenzubauen, druckten sie Bakterienkolonien auf Agarplatten und platzierten jede Kolonie etwa 5 Millimeter von ihrer Nachbarin entfernt. Dies stellt sicher, dass chemische Signale nur die nächste Kolonie erreichen und Informationen in eine Richtung fließen. Kein Wort darüber, ob sie einen winzigen Lötkolben verwendet haben.

Die Forscher zeigten, dass derselbe Bakterientransistor je nach Position mehrere logische Operationen ausführen konnte, einschließlich 'Mehrfacheingabe', 'ODER' und 'IMPLIZIERT'-Gatter. Durch