Medizin der Zukunft: Lassen sich biologische Zellen elektrisch steuern?

Die Vorstellung, biologische Zellen elektrisch zu kontrollieren, ist nicht nur eine Idee für SciFi-Romane. Zahlreiche Wissenschaftler gehen auch davon aus, mit elektronisch kontrollierbaren Zellen den Kampf gegen diverse Krankheiten revolutionieren zu können. Das Problem: Biologische Zellen und elektronische Systeme arbeiten auf komplett verschiedene Art und Weise. Forschern der University of Maryland gelang es nun aber, ein elektrogenetisches System in Bakterienzellen zu entwickeln, mit denen sie das Verhalten der Einzeller zu einem gewissen Grad beeinflussen können.

Mit Elektronen Einfluss auf biologische Zellen nehmen

Biologische Zellen kommunizieren mit anderen Zellen für gewöhnlich über molekulare Signale. Durch die in der Genexpression ausgebildeten Moleküle wie Proteine, Enzyme und Hormone empfangen und senden biologische Zellen Signale an andere bzw. von anderen Zellen. Mikroelektronische Systeme kommunizieren dagegen über Elektronen, die normalerweise von einer Energiequelle kommen.

Es gibt keinen Weg, um Elektronen dazu zu zu bringen, sich frei durch ein biologisches System zu bewegen, wie sie es bei Drähten tun. Jedoch gibt es eine Klasse von Molekülen, die in der Lage sind, Elektronen zu transportieren und durch Reduktion oder Oxidation abzugeben.

Durch genetische Umprogrammierung gelang es dem Team der University of Maryland, diese Moleküle dazu zu bringen, auf die Elektronen eines mikroelektronischen Geräts zu reagieren. Dieses kann die Oxidation der Moleküle so steuern, dass diese entweder ein Elektron verlieren oder aufnehmen. Die Forscher konnten die Moleküle so praktisch aktivieren und deaktivieren.

Biogenetischer Schalter kontrolliert Zellen

Im nächsten Schritt manipulierten die Forscher die Bakterien so, dass sie auf den Status der Moleküle durch bestimmte Genexpressionen reagieren. So gelang es ihnen, eine Art elektrogenetischen Schalter zu erschaffen, der mit Hilfe von elektrischer Spannung bestimmte Teile des Bakteriums aktivieren oder ausschalten kann.

Als praktisches Beispiel erschufen die Forscher eine Bakterien-Zelle, die im aktivierten Zustand grünlich fluoreszierte und im deaktivierten damit aufhörte. Außerdem konnten die Forscher ein Bakterium manipulieren, das ein Protein namens CheZ ausbildet, das die Fortbewegung der Zelle kontrolliert. Mit Hilfe des elektrogenetischen Schalters gelang es ihnen so, die Fortbewegung des Einzellers zu steuern.

Technologie ermöglicht zielgerichteten Wirkstofftransport

Die Forschungsergebnisse ergänzen ein weiteres Projekt des Teams, bei dem es den Forschern gelang, biologische Informationen „aufzunehmen“ und mit Hilfe von Elektronen auf spezielle Geräte zu „schreiben“. In Kombination mit den neuen Ergebnissen könnten Forscher später in der Lage sein, Bakterien so zu programmieren, dass sie bestimmte Wirkstoffe an vorher bestimmte Stellen im Körper transportieren.

„For example, imagine swallowing a small microelectronic capsule that could record the presence of a pathogen in your GI tract and also contain living bacterial factories that could make an antimicrobial or other therapy – all in a programmable autonomous system„, so William Bentley, Direktor des Robert E. Fischell Institute for Biomedical Devices an der University of Maryland.

„„Electronics have transformed the way we live our lives, and there have been increasing efforts to ‚connect‘ devices to biology, such as with glucometers or fitness trackers that access biological information. But, there are far fewer examples of electronics communicating in the other direction to provide the cues that guide biological responses. Such capabilities could offer the potential to apply devices to better fight diseases such as cancer or to guide inflammatory responses to promote wound healing„, ergänzt Gregory Payne, der an dem Projekt beteiligt war.

via University of Maryland