Wissenschaftler verwandeln menschliche Zellen in lebende Computer

Die Forscher Keren Roas und Lior Nissim von der Hebräischen Universität Jerusalem haben als erste künstliche genetische Systeme in menschlichen Zellen entwickelt, die komplexe Informationen verarbeiten und präzise Anweisungen befolgen können. Obwohl Experten schon lange Zellen so programmieren wollten, dass sie Krankheitszustände erkennen und darauf reagieren, bestand das Haupthindernis bisher im Mangel an geeigneten genetischen Bausteinen.

Bisherige Ansätze waren schrittweise, d. h. jeder neue Befehl erforderte eine zusätzliche Rechenebene innerhalb der Zelle. Je größer das System, desto schneller nahmen Zuverlässigkeit und Effizienz dieser biologischen Berechnungen ab. Das Team aus Jerusalem hat jedoch einen völlig neuen Weg beschritten, der es Zellen ermöglicht, komplexe Programme mit deutlich weniger Schritten und genetischem Material auszuführen. Dabei konnten sie die volle Funktionalität der Zelle erhalten, ohne sie zu überlasten.

Um dies zu erreichen, nutzten sie einen natürlichen Prozess namens RNA-Trans-Splicing, bei dem Teile genetischer Informationen innerhalb einer Zelle miteinander verbunden werden. Diesen kombinierten sie mit eigens entwickelten regulatorischen Elementen. Sie schufen spezielle molekulare Werkzeuge, die als biologische Prozessoren fungieren und die Expression spezifischer Gene gemäß einem vorgegebenen Plan auslösen. Da das System mehrere Signale gleichzeitig verarbeiten kann, ist es äußerst effizient.

Im Rahmen der Demonstration bauten Wissenschaftler biologische Geräte, die reale Computerkomponenten nachbilden. Sie entwickelten einen biologischen Volladdierer, der einfache Binärberechnungen durchführen kann, ähnlich einer 3-Bit-Einheit in einem Computerprozessor. Außerdem entwickelten sie eine biologische Version eines Multiplexers, eines elektronischen Bauteils, das aus mehreren Signalen auswählt und weiterleitet. Alle diese Prozesse wurden mithilfe von fluoreszierenden Proteinen überwacht, die in verschiedenen Farben leuchten.

Trotz der anfänglichen Begeisterung birgt die Übertragung solcher Laborsysteme auf den menschlichen Körper unvorhersehbare Risiken. Deshalb haben die Forscher bereits einen Sicherheitsmechanismus integriert. Erkennt eine Zelle eine ungültige oder überlastete Konfiguration, löst sie eine spezielle Warnung aus. Dies könnte künftig schwerwiegende Fehler bei medizinischen Eingriffen verhindern.

Zukünftig könnten diese intelligenten Zellen die Körperumgebung kontinuierlich überwachen. Eine programmierte Zelle könnte mehrere Krankheitsmarker gleichzeitig überprüfen und ein Medikament nur dann freisetzen, wenn sie eine bestimmte Kombination erkennt. Um dieses Konzept zu demonstrieren, wurden die Zellen so programmiert, dass sie Interleukin-15 (IL-15) ausschütten, ein Protein, das das Immunsystem zur Krebsbekämpfung anregt.