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Präzisere und programmierbare Bio-Schaltkreise
22.10.2014
Biosensor, der nicht «leckt»
ETH-Doktorand Nicolas Lapique aus der Gruppe von Yaakov Benenson, Professor für Synthetische Biologie am Departement Biosysteme der ETH Zürich in Basel, hat nun einen biologischen Schalter entwickelt, mit dem sich die Aktivität von einzelnen Sensorbausteinen zeitlich steuern lässt. Damit können Schaltkreise so gebaut werden, dass ein Sensor nicht aktiv ist, solange er im System nicht gebraucht wird. Wird er benötigt, kann er über ein Steuerungssignal aktiviert werden. Die Wissenschaftler haben ihre Arbeit jüngst in der Fachzeitschrift Nature Chemical Biology veröffentlicht. Um die dahinterliegende Technik zu verstehen, muss man wissen, dass diese biologischen Sensoren aus Genen bestehen, die von Enzymen abgelesen und in RNA und allenfalls zusätzlich auch in Proteine umgesetzt werden. Im steuerbaren Biosensor von Lapique ist das für das Ausgangssignal verantwortliche Gen im Grundzustand nicht aktiv, da es in falscher Orientierung in die Schaltkreis-DNA eingebaut ist. Aktiviert wird das Gen über ein spezielles Enzym, eine Rekombinase, welche das Gen aus der Schaltkreis-DNA ausschneidet und in richtiger Orientierung wieder einbaut. So wird es aktiv. «Dadurch können Eingangssignale viel präziser als bisher und auf Wunsch auch zeitlich verzögert weitergeleitet werden», sagt Benenson.Neuer Signalwandler entwickelt
Das Zusammenfügen verschiedener biologischer Bausteine zu einem komplexeren Biocomputer ist jedoch eine grosse Herausforderung für Bioingenieure. «In der Elektronik sind verschiedene Komponenten eines Schaltkreises immer gleich verbunden: mit einem Draht, durch den Strom fliesst oder nicht», erklärt Benenson. In der Biologie gibt es hingegen eine Vielzahl unterschiedlicher Signale – zahlreiche unterschiedliche Proteine etwa oder ebenso zahlreiche Mikro-RNA-Moleküle. Damit biologische Komponenten beliebig miteinander kombiniert werden können, müssen Signalwandler dazwischen geschaltet werden. Einen vielseitig einsetzbareren Signalwandler hat Laura Prochazka, ebenfalls Doktorandin von Benenson, entwickelt und jüngst in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Als Besonderheit wandelt die neue Komponente nicht nur ein Signal in ein anderes um. Vielmehr können die Wissenschaftler damit mehrere biologische Eingangssignale in mehrere Ausgangssignale umwandeln.Mit dieser neuen biologischen Plattform werden die Anwendungen von biologischen Schaltkreisen massiv erweitert. Benenson: «Indem biologische Schaltkreise beliebig kombinierbar sind, kann man nun bei biologischen Computern von Programmieren sprechen – Bioingenieure werden in Zukunft also buchstäblich programmieren können.»
Literaturhinweis
- Lapique N, Benenson Y: Digital switching in a biosensor circuit via programmable timing of gene availability. Nature Chemical Biology, Online-Publikation vom 14. Oktober 2014, doi: 10.1038/nchembio.1680 [http://dx.doi.org/10.1038/nchembio.1680]
- Prochazka L, Angelici B, Häfliger B, Benenson Y: Highly modular bow-tie gene circuits with programmable dynamic behavior, Online-Publikation vom 14. Oktober 2014, doi: 10.1038/ncomms5729 [http://dx.doi.org/10.1038/ncomms5729]