Ein Transistor ist ein Schalter, und ohne Milliarden davon funktioniert kein Computer. Forscher am MIT haben diesen Schalter nun aus etwas gebaut, das lebt: aus Bakterien, die auf einem Nährboden wachsen und sich zu regelrechten Platinen anordnen lassen. Statt Strom fließen darin Duftmoleküle, und die größte bislang gebaute Schaltung umfasst 24 Kolonien.
In der Elektronik übernimmt der Transistor eine denkbar einfache Aufgabe: Er lässt Strom durch oder blockiert ihn, gesteuert durch ein drittes Signal. Aus dieser Grundoperation lassen sich sämtliche logischen Verknüpfungen aufbauen, und aus deren Kombination entstehen Rechenwerke, Speicher und schließlich vollständige Computer. Die synthetische Biologie verfolgt seit rund zwei Jahrzehnten die Idee, dasselbe Prinzip in lebende Zellen zu übertragen. Zellen tun ohnehin nichts anderes, als Signale zu empfangen, zu verrechnen und Reaktionen auszulösen; sie erkennen Nährstoffe, Giftstoffe oder Botenstoffe anderer Zellen und passen ihr Verhalten an. Wer diese Vorgänge gezielt programmieren kann, könnte Bakterien bauen, die Krankheitserreger erkennen, Schadstoffe aufspüren oder Medikamente genau dann herstellen, wenn sie gebraucht werden.
Der bisherige Weg dorthin stieß allerdings auf eine harte Grenze. Üblicherweise werden solche Schaltungen vollständig in eine einzige Zelle gepackt, indem man ihr Gene für Proteine und sogenannte Transkriptionsfaktoren einbaut, die sich gegenseitig an- und abschalten. Für jede getrennte Rechenoperation braucht es dabei einen eigenen Transkriptionsfaktor, damit sich die Signale nicht gegenseitig stören. Von diesen molekularen Schaltern steht jedoch nur eine begrenzte Zahl zur Verfügung, was die Komplexität nach oben deckelt. Hinzu kommt ein zweites Problem: Wer zu viele Schaltkreise in eine Zelle presst, überlastet deren Proteinfabrik, das Wachstum bricht ein, und die Konstruktion wird instabil.
Das Team um Christopher Voigt, den Leiter des Fachbereichs Biological Engineering am MIT, mit dem Postdoktoranden Hamid Doosthosseini als Erstautor, drehte den Ansatz deshalb um. Statt eine Zelle mit einer ganzen Schaltung zu überfrachten, übernimmt jede Zellkolonie nur ein einziges Bauteil, und die Verdrahtung erfolgt außerhalb der Zellen. Als Grundlage wählten die Forscher Pantoea agglomerans, ein Bakterium, das natürlicherweise auf Oberflächen wächst, unter anderem auf Pflanzen. Die Kolonien lassen sich auf ein Nährmedium in einer Petrischale drucken, ähnlich wie Leiterbahnen auf eine Platine, wie das MIT in seiner Mitteilung zur Studie beschreibt. Zwischen ihnen wandern kleine Signalmoleküle durch das Medium und übertragen die Information.
Konstruiert wurden zwei verschiedene Transistortypen sowie drei weitere Bakterienstämme, die als Relais zwischen den Transistoren vermitteln, also Signale weiterreichen und auffrischen. Zusammen ergeben diese fünf Stämme einen modularen Baukasten, mit dem sich nach Angaben der Beteiligten praktisch jede Art von Schaltung entwerfen lässt. Doosthosseini formuliert das mit dem Hinweis, man habe zunächst einige gängige Grundbausteine der Rechnerarchitektur gebaut, jede beliebige Operation lasse sich aber aus diesen fünf Stämmen zusammensetzen. Der entscheidende Vorteil gegenüber der Ein-Zell-Lösung liegt in der Arbeitsteilung: Weil jede Kolonie nur eine Aufgabe erfüllt, konkurrieren die Bauteile nicht mehr um die begrenzten Ressourcen derselben Zelle, und die Zahl verfügbarer Schalter begrenzt nicht länger die Größe der Schaltung.
Die eigentliche Schaltlogik beruht auf einem Mechanismus, den Bakterien in der Natur zur Verständigung nutzen. Drei Signalmoleküle spielen dabei zusammen: Eines entscheidet gewissermaßen, ob der Transistor überhaupt arbeiten darf, ein zweites liefert die Information, die verarbeitet werden soll, und ein drittes entsteht als Ausgangssignal, das eine benachbarte Kolonie erkennen kann. Dadurch verhält sich ein und dieselbe Kolonie je nach Kombination der eingehenden Signale unterschiedlich, was genau der Funktion eines Transistors entspricht. In den Experimenten führten die daraus gebauten Netzwerke logische Verknüpfungen aus, addierten zwei oder drei Eingaben, verarbeiteten Signale parallel und leiteten eine einzelne Eingabe gezielt an einen bestimmten Ort in der Schaltung weiter. Die größte demonstrierte Schaltung bestand aus 24 miteinander kommunizierenden Kolonien und funktionierte als Addierwerk mit zwei Eingängen.
Wer nun an Konkurrenz für Silizium denkt, liegt falsch, und die Forscher machen daraus keinen Hehl. Elektronen bewegen sich mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit durch Leiterbahnen, während Signalmoleküle durch ein Nährmedium diffundieren, also durch zufällige Wärmebewegung wandern. Eine Rechenoperation, die ein Prozessor in Bruchteilen einer Nanosekunde erledigt, dauert in einer solchen lebenden Schaltung Stunden. Der Sinn liegt deshalb nicht in der Geschwindigkeit, sondern im Einsatzort. Ein Bakterium kann dorthin, wo kein Chip hinkommt: auf eine Blattoberfläche, an eine Wurzel, in den Boden, in eine Wunde oder in den Darm. Es vermehrt sich selbst, versorgt sich aus seiner Umgebung und baut sich nach getaner Arbeit ab, statt als Elektroschrott zurückzubleiben.
Genau darauf zielt die von den Forschern genannte Anwendung. Weil Pantoea agglomerans ohnehin auf Pflanzen lebt, ließen sich solche Schaltungen auf Blätter oder Wurzeln aufbringen. Dort könnten sie Umweltbedingungen auswerten und der Pflanze helfen, auf Trockenheit, Nährstoffmangel oder Schädlingsbefall zu reagieren, indem sie ein passendes Signalmolekül ausschütten, sobald mehrere Bedingungen zugleich erfüllt sind. Der Reiz liegt in dieser Verknüpfung: Ein einzelner Sensor meldet nur einen Wert, eine Schaltung dagegen kann kombinieren, also etwa nur dann reagieren, wenn es gleichzeitig trocken ist und ein bestimmter Pilz nachgewiesen wird. Denkbar sind ebenso Anwendungen in der Umweltüberwachung, bei denen Bakterien in Gewässern oder Böden bestimmte Stoffkombinationen aufspüren.
Zwischen Petrischale und Praxis liegt allerdings eine erhebliche Strecke. Im Labor herrschen konstante Bedingungen, ein gleichmäßiges Nährmedium und eine kontrollierte Temperatur; auf einem Blatt im Freiland dagegen schwanken Feuchtigkeit, Wärme und Nährstoffangebot ständig, und andere Mikroorganismen konkurrieren um denselben Platz. Ungeklärt ist ferner, wie stabil die eingebauten genetischen Bauteile über viele Zellgenerationen bleiben, denn Bakterien mutieren, und Konstrukte, die Energie kosten, gehen im Lauf der Vermehrung gern verloren. Hinzu kommt die Freisetzungsfrage: Gentechnisch veränderte Bakterien auf Nutzpflanzen auszubringen, ist in der Europäischen Union streng reguliert und wäre gesellschaftlich umstritten. Für den Laborgebrauch, etwa in der Diagnostik oder in geschlossenen Bioreaktoren, gelten diese Hürden nicht in gleichem Maß.
Über die konkrete Technik hinaus steht hinter der Arbeit ein grundsätzlicher Gedanke. Wenn sich Rechenoperationen in lebende Systeme einbauen lassen, verschwimmt die Grenze zwischen Organismus und Gerät. Pflanzen, Mikroben oder ganze Lebensräume könnten Bedingungen erfassen und darauf reagieren, ohne dass eine einzige elektronische Komponente beteiligt wäre. Aus Sicht der Ingenieurwissenschaften ist das ein Perspektivwechsel: Statt Sensoren in die Natur zu bringen, wird die Natur selbst zum Sensor. Bis dahin bleibt der praktische Nutzen bescheiden und die Rechenleistung minimal, doch mit fünf Stämmen und 24 Kolonien steht erstmals ein Baukasten bereit, dessen Bauteile sich beliebig kombinieren lassen. Genau das war beim Transistor aus Silizium vor siebzig Jahren der Ausgangspunkt.