DNA-Manipulation leicht gemacht

Das Leben programmieren: MIT-Wissenschaftler interagieren per Programmiersprache mit lebenden Zellen

Jan Weddehage

© Shutterstock / Sergey Nivens

Ingenieurbiologen des MIT haben eine Programmiersprache entwickelt, mit deren Hilfe es ihnen möglich ist, mit lebenden Zellen zu interagieren. Im Rahmen ihres Forschungsprogramms entwickelten die Wissenschaftler bereits über 60 DNA-Sequenzen mit unterschiedlichen Funktionen.

Wie Phys.org berichtet, kann jeder mithilfe der Programmiersprache die Funktionen von DNA-Sequenzen nach eigenem Belieben verändern. „Es ist im wörtlichen Sinne eine Programmiersprache für Bakterien“, sagt Christopher Voigt, Professor für biologisches Engineering am MIT. So kommt eine herkömmliche, textbasierte Sprache zum Einsatz – ganz wie beim Programmieren von Softwareanwendungen. Der Text wird daraufhin kompiliert und in eine DNA-Sequenz verwandelt, die in eine Zelle eingesetzt werden kann.

DNA-Manipulation leicht gemacht

Auf Basis der Sprache entwickelte Voigts zusammen mit weiteren Kollegen der Boston University und des National Institute of Standards and Technology bereits über 60 DNA-Sequenzen mit einer Reihe von unterschiedlichen Funktionen. Sie können bis zu drei divergierende Eingaben wahrnehmen und verschieden auf sie reagieren. 45 Sequenzen funktionierten bereits beim ersten Testlauf korrekt. Wie Voigt betont, liegt der Vorteil dieser Methode in seiner Schnelligkeit. Statt langjährige Forschungen betreiben zu müssen, kann eine DNA-Sequenz nun quasi per Knopfdruck getestet werden.

Die Forscher hoffen, dass es in Zukunft möglich sein wird, Bakterienzellen zu entwerfen, die beispielsweise automatisch Krebsmedikamente freisetzen, sobald sie einen Tumor entdecken. Denkbar ist auch die Entwicklung von Hefezellen, die ihren eigenen Gärungsprozess unterbrechen, wenn sie zu viele toxische Nebenprodukte produzieren. Das gleiche Prinzip könnte bei Pflanzen zum Einsatz, die bei Befall eigenständig Insektizide freisetzen. Ebenfalls sollen auf vergleichbare Weise Verdauungsprobleme und Laktoseintoleranz bekämpft werden. Diesbezügliche Applikationen sind in der Planung.

Außerdem ist geplant, das User-Design-Interface im Web verfügbar zu machen. Denn im Gegensatz zu früheren Versuchen setzt die Programmiersprache kein spezielles Wissen über die Manipulierung von Genen voraus. Die Benutzung ist mitunter so einfach, dass Voigts zufolge bereits Schüler in der Lage sind, sich die nötigen Programmierbausteine vom Webserver herunterzuladen und sie ihren Vorstellungen entsprechend zu gestalten.

Technische Umsetzung und zukünftige Perspektiven

Als Grundlage dient die Hardwarebeschreibungsprache Verilog, die üblicherweise bei der Entwicklung von Computerchips zum Einsatz kommt. Durch die Integration von Logikgattern und Sensoren wurde sie derart erweitert, dass sie sich nun zur Codierung von Zellen eignet. Die größte Herausforderung bestand darin, die 14 Logikgatter so zu programmieren, dass sie sich nicht gegenseitig in die Quere kommen.

Die sensorischen Features sind in der Lage, verschiedene chemische Komponenten zu ermitteln. Die von den Wissenschaftlern entwickelten Sequenzen maßen etwa den Sauerstoffgehalt oder die Glucosekonzentration. Aber auch weitere Umweltbedingungen wie Temperatur oder Säuregehalt können erfasst werden. Die integrierten Elemente sind laut Voigt flexibel auf die eigenen Bedürfnisse anpassbar. Den Nutzern steht es aber frei, neue Sensoren zu implementieren.

In der aktuellen Version der Programmiersprache sind die genetischen Parts auf E. coli abgestimmt. Die Forscher sind bereits jetzt dabei, die Sprache auf weitere Bakterienstämme auszuweiten. Berücksichtigt werden ebenfalls Bacteroids, die gewöhnlich im menschlichen Darm anzutreffen sind, und Pseudomonas, die in Backhefe und in den Wurzeln von Pflanzen vorkommen. In Zukunft soll es so nur noch nötig sein, ein Programm zu schreiben, das durch eine entsprechende Kompilierung auf die verschiedenen Organismen die gewünschten Manipulationen hervorruft.

Aufmacherbild: DNA molecule research via Shutterstock / Urheberrecht: Sergey Nivens

Geschrieben von
Jan Weddehage
Jan Weddehage
Jan Weddehage studiert an der Goethe Universität Frankfurt am Main und arbeitet seit März 2015 als Werkstudent bei Software & Support. Kontakt: jan[at]janweddehage.de
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