1. Jul 2013

Analoge Schaltkreise in lebenden Zellen

Zellen reagieren nicht wie Maschinen, sie verarbeiten Informationen meist analog und nicht digital. Die synthetische Biologie möchte Zellen neue Funktionen beibringen, orientiert sich dabei aber an Regeln, die für die Programmierung von Computern gelten. US-amerikanische Wissenschaftler haben jetzt Neuland betreten: Es gelang ihnen, Schaltkreise mit analogen Funktionen in Zellen einzubauen.

Computer reduzieren komplexe Umwelt-Signale letztlich auf Ja oder Nein und rechnen dann auf dieser Basis weiter – also digital. Biologische Systeme, seien es einzelne Zellen oder ganze Organismen, funktionieren jedoch analog: Sie detektieren Signale in vielfältigen Abstufungen und reagieren dann genauso differenziert und vielschichtig.

Synthetische Biologen versuchen seit einigen Jahren, Zellen nach Regeln umzuformen, die aus den Ingenieurs- und Computerwissenschaften stammen. Die Erfolge sind beeindruckend, manche Zellen meistern schon einfache Rechenaufgaben. Doch der Aufwand ist gewaltig: Dutzende biologische Komponenten müssen verschaltet werden, um einfache Funktionen auszuführen.

Forscher vom MIT in Cambridge haben jetzt synthetische Schaltkreise entwickelt, die auf analogen Prinzipien beruhen. Der große Vorteil: Man braucht viel weniger Komponenten und kann einen breiteres Spektrum an Aufgaben erfüllen. Drei Faktoren reichten ihnen, um eine Reihe von logarithmische Rechenprozessen durchzuführen.

Sie konstruierten etwa einen Schaltkreis, dessen Ausgabe gleich des negativen Logarithmus des Eingabesignals war. Oder sie kombinierten zwei logarithmische Schaltkreise so, dass es etwa einer Multiplikation entsprach. Andere Konstrukte bestimmten das Verhältnis zweier Signale, deren Intensität auf einer Skala von mehreren Größenordnungen variierte.

Die Forscher haben bereits praktische Anwendungen im Sinn. Denkbar wären Biosensoren, die auch stark schwankende Signale verlässlich bestimmen können. Oder eine präzise Regulation der Aktivität von Genen, was bei vielen biotechnologischen Verfahren von Nutzen wäre.

Natürlich könnten solche Schaltkreise auch mit digitalen Prinzipien konstruiert werden. Doch im Gegensatz zum Computer, bei dem die Zahl der Transistoren fast beliebig erhöht werden kann, ist die Kapazität eines biologischen Systems begrenzt. Eine Zelle kann nicht den Großteil ihres Stoffwechsels für Rechenaufgaben abstellen, wenn sie selber noch lebensfähig sein will.

Analoge Schaltkreise ähneln den natürlichen Vorgängen in einer Zelle mehr als digitale, vom Computer abgeleitete Prinzipien. Statt der Biologie eine fremde Technik aufzuzwängen, geht dieser Ansatz der Biologie ein Stück weit entgegen. Allein schon deshalb könnte das ein zukunftsträchtiger Weg sein.

Daniel et al., Nature Mai 2013: Synthetic analog computation in living cells.

Sauro und Kim , Nature Mai 2013: It’s an analog world

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