Steuerung per Licht

Roboworm – Fadenwürmer in lebende Bio-Roboter verwandelt

Robert Klatt

Wissenschaftler haben aus einem gentechnisch manipulierten Fadenwurm einen lebenden Bio-Roboter erzeugt. Der Wurm wird per Licht ferngesteuert und kann sich durch ein enges Labyrinth bewegen.

Toronto (Kanada). Wissenschaftler der Universität von Toronto haben ein System entwickelt, das gentechnisch veränderte Fadenwürmer (Caenorhabditis elegans) mit Laserpulsen steuern kann. Laut der Publikation im Fachmagazin Science Robotics entsteht aus dem lebendigen Wurm so eine Art Bio-Roboter.

In der Forschung wird der Fadenwurm Caenorhabditis elegans häufig in der Entwicklungsbiologie und der Genetik verwendet, weil sein einfach strukturiertes Nervensystem bereits gut dokumentiert wurde. Normalerweise lebet der etwa einen Millimeter lange und 65 Mikrometer dicke Wurm im Boden und ernährt sich von Bakterien.

Gentechnisch veränderter Fadenwurm

In dem Experiment nutzte das Team um Xianke Dong eine gentechnisch veränderte Form des Wurms, bei dem die Muskelzellen über auf Licht reagierende Ionenkanäle verfügen. Eine Beleuchtung mit blauem Licht öffnet die Ionenkanäle, Kalzium-Ionen strömen in die Zellen und die Muskeln kontrahieren sich. Außerdem lähmten die Wissenschaftler mit einem Antiparasitikum die neuromuskulären Signale des Wurms.

Steuerung per Licht

Um die Bewegungen des Wurms zu kontrollieren, beleuchteten die Wissenschaftler diesen mit blauem Licht. Die Muskelkontraktion sorgte dann dafür, dass dieser sich in einer charakteristischen S-förmigen Weise krümmte. Wenn die Seiten des Wurms zeitlich versetzt beleuchtet werden, sorgt dies für eine schlängelnde Vorwärtsbewegung.

Unregelmäßige Bewegung des Wurms

Aufgrund der unregelmäßigen Bewegung des Wurms konnten die Wissenschaftler die zwischen den Kontraktionen notwendige Phasenverschiebung jedoch nicht anhand einer mathematischen Funktion bestimmen. Sie entwickelten deshalb ein Rückkopplungssystem, bei dem eine Bildverarbeitungssoftware die Bewegungen des Tieres verfolgt und anhand der die Laserposition und das Lichtmuster anpasst.

Es gelang den Forschern so die Stärke bestimmter Muskelkontraktionen gezielt durch die Intensität bestimmter Laserstrahlen zu verändern und kontrolliert vorwärts und rückwärtszubewegen. Demonstriert wird die Leistungsfähigkeit anhand eines Labyrinths aus Plastik, durch das die Würmer gesteuert wurden.

Laut den Wissenschaftlern zielt ihre Technologie noch „auf keine bestimmte Anwendung ab“. Das neue Wissen soll jedoch Fortschritte bei der Entwicklung von Mikrorobotern für medizinische Anwendungen ermöglichen.

Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.abe3950

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