Gen-Schaltkreis mit einem Computer steuern

Elektro- und Bioingenieure haben in Hefezellen einen genetischen Schaltkreis geschaffen, der von einem Computer gesteuert und reguliert wird, wie die ETH in einer Mitteilung schreibt. Die Technik habe grosses Potenzial für biotechnologische Anwendungen.

So konzipieren Bioingenieure laut ETH künstliche genetische Netzwerke, die sie mit Licht kontrollieren können. Diese biologischen Schaltkreise bestehen aus logisch miteinander verknüpften Bauteilen – meist verschiedenen Genen und Proteinen - und werden in lebende Zellen eingebaut. Das Spezielle daran: die genetischen Netzwerke liessen sich mit Licht ein- und ausschalten, weil beispielsweise ein lichtempfindliches Molekül das eingebrachte Gen aktiviere. Der "Output" sei schliesslich ein bestimmtes Protein.

Konstanter Verlauf sehr wichtig

Eine Schwierigkeit solcher Schaltkreise sei aber, dass die Produktion des gewünschten Proteins über die Zeit nicht konstant verlaufe, heisst es weiter. Mit einer Computersteuerung haben es nun drei Gruppen des D-BSSE, des Departements Informationstechnologie und Elektrotechnik (D-ITET) und der University of California, San Francisco, geschafft, ein lichtempfindliches Gen-Netzwerk so zu regulieren, dass es über Stunden hinweg robust "arbeite" und einen stabilen Ertrag erziele. Diese Arbeit, unter der Leitung von John Lygeros (D-ITET), Mustafa Khammash (D-BSSE) und Hana El-Samad (University of California), sei vor kurzem in "Nature Biotechnology" vorgestellt worden.

Das Gennetzwerk, das in die Hefezellen eingebaut wurde, lasse sich mit Rotlicht ein- und mit einem dunkleren Rot ausschalten. Sei es aktiviert, produziere es ein bestimmtes Protein. Die Produktion dieses Proteins falle mit der Zeit jedoch ab, wenn kein weiterer Lichtimpuls das entsprechende Gen aktiviere. Hier greife denn auch die Computersteuerung, die die Elektroingenieure entwickelt haben. Die Software registriere die Gen-Aktivität und vergleiche den Ist-Zustand der Proteinproduktion in der Zelle mit dem im Programm vorgegebenen Soll-Wert. Weiche der Ist-Wert von dem gewünschten vorgegebenen Level ab, berechne der Computer die nötige Reaktion, um wieder auf dieses Niveau zu gelangen, zum Beispiel welches Licht-Signal erfolgen müsse, um die Proteinproduktion anzukurbeln. Dadurch pendle sich der «Output», sprich das gewünschte Protein, auf einem konstanten Niveau ein.

Technik mit Zukunft

John Lygeros, Professor am ETH-Institut für Automatik, sieht für diese Technik grosses Anwendungspotenzial. Der Ansatz könnte seiner Meinung nach in Zukunft dazu genutzt werden, um biologische Vorgänge besser kontrollieren zu können. So würden zum Beispiel für die Produktion von Antibiotika oder Bio-Treibstoffen genetisch veränderte Bakterien eingesetzt, die mit einer externen Steuerung dazu gebracht werden können, mehr Ertrag zu erzielen.