Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Molekulare Algebra in Säugetierzelle

04.06.2012
ETH-Forscher haben Säugetierzellen so umprogrammiert, dass sie wie ein Taschenrechner logische Rechenoperationen ausführen können. Diese Fähigkeit verdanken die Zellen einem der komplexesten genetischen Netzwerke, das je in eine höhere Zelle eingebaut wurde.
ETH-Forscher haben unter der Leitung von Martin Fussenegger, Professor für Biotechnologie und Bioingenieurwissenschaften am Departement Biosysteme der ETH Zürich in Basel, ein Netzwerk aus verschiedenen Genen gebaut, welches Rechenoperationen durchführen kann und als Resultat der «Berechnungen» vorgegebene Stoffwechselschritte einleitet.

Im Prinzip haben die Wissenschaftler aus biologischen Bestandteilen Schaltelemente entwickelt, die in der Computer- und Elektrotechnik als logische Gatter bekannt sind. Die Grundlage der ausgeführten Rechenoperationen ist die Boolesche Logik, welche beispielsweise mit UND oder XOR-Verknüpfungen funktioniert.

Zelle kann mit binären Zahlen rechnen

Es gelang den Forschenden, diese verschiedenen Gatter miteinander zu kombinieren und zu verschalten. Daraus konnten sie zwei wichtige Schaltnetze aus der digitalen Elektronik zusammenstellen - den Halbaddierer und den Halbsubtraktor. Ein Halbaddierer zählt zwei binäre Zahlen – also Nullen und Einsen – zusammen, ein Halbsubtraktor zieht sie voneinander ab.
Die ETH-Forscher verwenden für die Programmierung des Zelltaschenrechners zwei Inputsignale, die das Gennetzwerk steuern. Zu Testzwecken setzten die Biologen dafür das Antibiotikum Erythromycin und das Apfelmolekül Phloretin ein. So müssen beispielsweise bei einem UND-Gatter beide Inputs – also Phloretin und Erythromycin – vorhanden sein, damit die Zelle am Ausgang eine Eins berechnet. Als Folge dieser Eins löst das Gen-Netzwerk die Bildung eines fluoreszierenden Proteins aus, welches die Zelle zum Leuchten bringt. Fehlt eines der beiden Eingangssignale, leuchtet die Zelle nicht auf.

Neue Komplexitätsstufe erreicht

„Mit der Kombination mehrerer logischer Gatter haben wir eine nie dagewesene Komplexität eines synthetischen Gennetzwerkes in Zellen erreicht“, betont Prof. Martin Fussenegger. Weiter sei bemerkenswert, dass der Bio-Rechner zwei unterschiedliche Input- und Output-Signale parallel verarbeiten könne. Dies unterscheidet den Bio-Computer von digitaler Elektronik, da dieser ausschliesslich mit Elektronen arbeitet. „Eine Zelle kann von Natur aus viele verschiedene Stoffwechselprodukte parallel verarbeiten“, führt Prof. Fussenegger weiter aus.
Der biologische Taschenrechner beherrscht bisher nur die binären Grundrechenarten und kann deshalb noch lange nicht mit einem leistungsfähigen PC verglichen werden. „Dennoch ist es genial, dass eine Säugetierzelle so rechnen kann“, sagt Prof. Fussenegger.

Zellrechner könnte Stoffwechsel überwachen

In Hefen und Bakterien haben Wissenschaftler schon diverse Schaltelemente realisiert. Neu ist aber, dass Biotechnologen ein gesamtes System in eine einzige Zelle einbauen konnten, und zwar in einer Säugetierzelle.

Für Prof. Martin Fussenegger ist es denkbar, dass implantierte Zelltaschenrechner in ferner Zukunft den Stoffwechsel von Patienten überwachen und nach Bedarf eingreifen. ″Intelligente″ Zellimplantate könnten zum Beispiel bei Diabetespatienten zum Einsatz kommen, indem ein Schaltkreis entwickelt werde, der krankheitsrelevante Stoffwechselprodukte erkennt und die Ausschüttung von therapeutisch wirksamen Stoffen, beispielsweise Insulin, steuert. Von einer solchen Anwendung sind die Forscher jedoch noch weit entfernt.

Original: Ausländer S, Ausländer D, Müller M, Wieland M & Fussenegger M. Programmable single-cell mammalian biocomputers. Nature, Advanced Online Publication, 3rd June 2012. DOI: 10.1038/nature11149

Weitere Informationen

ETH Zürich
Prof. Martin Fussenegger
Departement für Biosysteme (D-BSSE)
Telefon: +41 61 387 31 60
martin.fussenegger@bsse.ethz.ch

Claudia Naegeli | ETH Zürich
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress
23.02.2018 | Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT)

nachricht Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für molekulare Genetik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics