Bakterien bauen goldene Sensoren

Die schwarzen Punkte markieren Goldnanopartikel, die sich an die Bakterienkolonien angeheftet haben. (Will Yangxiaolu Cao, Duke Universität)

Bei Druck geht ein Licht an - den für diesen Effekt nötigen Sensor haben Biotechnologen von Bakterien bauen lassen: Sie haben den Mikroben dazu ein genetisches Programm verpasst, das sie zu Konstrukteuren von vorgegebenen Strukturen aus Goldnanopartikeln macht. Dieses Konzept könnte zur Entwicklung von technischen Bauteilen mit lebendigen Komponenten führen, die sich selbst reparieren können, sagen die Forscher.

Muscheln bilden auf diese Weise ihre Schalen und Knochenzellen nutzen das Verfahren ebenfalls – in der Natur wimmelt es von Beispielen, bei denen Organismen Verbindungen mit faszinierenden Merkmalen bilden. "Die Natur ist ein Meister der Herstellung strukturierter Materialien, die aus lebenden und nicht lebenden Bestandteilen bestehen", sagt Lingchong You von der Duke University in Durham. Er und seine Kollegen versuchen, diese biologischen Konzepte technisch nutzbar zu machen. "Unsere aktuellen Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, die Natur zu programmieren, um bestimmte Strukturen herzustellen", resümiert der Biotechnologe.

Zu Baumeistern programmiert

Für ihre Experimente nutzten die Forscher das berühmte bakterielle "Versuchstierchen"
Escherichia coli. Sie verpassten diesen Mikroben ein genetisches Paket, das wie ein Programm funktioniert. Es verursacht zunächst, dass die Bakterien eine Substanz namens T7-RNA-Polymerase bilden. Dieses Enzym verstärkt dabei seine eigene Produktion in einer Rückkopplungsschleife selbst und führt letztlich zur Bildung eines Moleküls namens AHL, das sich wie ein Botenstoff nach außen ausbreitet. Während sich die Bakterienzellen vermehren und nach außen wachsen, erreicht die Konzentration des kleinen Botenmoleküls irgendwann eine kritische Konzentration in dem Bakteriengebilde, was dann zum eigentlichen Knackpunkt führt: Es wird eine Substanz namens Curli gebildet, die sich wie mit einem biologischen Klettverschluss an anorganische Verbindungen anheften kann. Im Fall des Systems der Forscher handelte es sich dabei um Goldnanopartikel.

Wie sie erklären, wächst die Bakterienkolonie unter normalen Umständen zu einem kuppelförmigen Gebilde heran – solange, wie man ihr Nahrung gibt. Die Bakterien auf der Außenseite dieser Kuppel erzeugen dann den biologischen Klettverschluss, der sich nutzen lässt: Wenn die Forscher Goldnanopartikel hinzugeben, schnappten sich die Curli-Moleküle diesen Baustoff und bilden eine goldene Hülle aus. Bei den Experimenten erreichten diese Gebilde die Größe einer durchschnittlichen Sommersprosse. Ausmaß und Form der Kuppeln ließen sich auch beeinflussen, sagen You und seine Kollegen. Durch Veränderungen der Eigenschaften des Mediums, auf dem die Bakterienkolonien wuchsen, konnten die Forscher die Wachstumsmuster verändern und damit letztlich auch die Strukturen aus den Goldnanopartikeln.

Ein goldener Bakterien-Sensor lässt Lampen leuchten

"Wir haben 3D-Strukturen durch ein Verfahren hergestellt, das auf dem Prinzip der Selbstorganisation basiert. Diese Gebilde können dann als Gerüst dienen, um ein Bauteil mit definierten physikalischen Eigenschaften zu erzeugen", sagt Co-Autor Stefan Zauscher. Um dies zu demonstrieren, verwendeten die Forscher die Strukturen als Drucksensoren. Sie züchteten dazu auf zwei Substratoberflächen identische Anordnungen von Kuppeln. Die beiden Substrate wurden dann so miteinander kombiniert, dass jeder Dom direkt über seinem Gegenstück auf dem anderen Substrat positioniert war.

Für die Funktion als elektronisches Element wurde jede Kuppel an einen feinen Kupferdraht angeschlossen. Gebündelt wurden diese Leitungen dann mit einer LED-Lampe verbunden. Wenn die Forscher nun Druck auf dieses Sandwich ausübten, drückten die Kuppeln aufeinander, wodurch Strom fließen konnte. Abhängig davon, wie stark der Druck die Kuppeln in Kontakt brachte, leuchtete die Lampe unterschiedlich stark auf: Das System erfüllte somit die Funktion eines Drucksensors.

Wie die Forscher betonen, handelt es sich dabei nur um ein Demonstrationsbeispiel stellvertretend für viele mögliche Anwendungen des Konzepts. "Lebende Schaltkreise könnten möglich werden: Wenn wir die Bakterien am Leben erhalten könnten, scheinen Materialien möglich, die sich selbst heilen und auf Umweltveränderungen reagieren können", sagt Co-Autorin Will Cao. Die Wissenschaftler wollen nun an Verfahren arbeiten, wie man die Bakterien dazu bringen kann, in bestimmten Mustern zu wachsen. "Bakterien können durchaus komplexe Verzweigungsmuster ausbilden, wir wissen nur nicht, wie sich dies gezielt programmieren lässt - noch nicht", sagt You.

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