Gen-Ingenieure erzeugen „lebendiges“ Material mit drei Merkmalen von Leben
Ithaca (USA) – Ingenieure der Cornell University haben ein synthetisches Biomaterial erzeugt, das drei Eigenschaften von Leben besitzt: Stoffwechsel. Selbstanordnung und Selbstorganisation. Einfache Maschinen aus diesem Material können sich – ähnlich Schleimpilzen – fortbewegen, neues „Gewebe“ wachsen lassen, altes abstoßen und sogar Wettrennen gegeneinander bestreiten.
Wie das Team um Professor Dan Luo von der Cornell University aktuell im Fachjournal „Science Robotics“ (DOI: 10.1126/scirobotics.aaw3512) erläutert, ist die DNA zum einen die Grundlage allen Lebens, doch zugleich ist die DNA auch ein Polymer, also ein chemischer Stoff aus Makromolekülen.
Das Material, das die Wissenschaftler als „DASH“ (DNA-based Assembly and Synthesis of Hierarchical) bezeichnen, sei „lebensähnlich“ und wird sogar von einem eigenen künstlichen Stoffwechsel angetrieben. „Allerdings erzeugen wir hier nichts Lebendiges, aber wir erzeugen ein Material, dass sehr viel lebensähnlicher ist als alles andere, was wir bislang kennen.“
Um sich selbst zu erhalten, benötigt jeder lebendige Organismus ein System, mit dem der Organismus Veränderungen organisiert, erläutern die Autoren: „Neue Zellen müssen erzeugt und alte Zellen und anderer Abfall muss beseitigt werden. Biosynthese und Biodegeneration sind die Schlüsselelemente der Selbsterhaltung und benötigen einen Stoffwechsel, um so die eigene Form und Funktionen aufrecht erhalten zu können.“ Durch genau diese Art von System werden DNA-Moleküle synthetisiert und nach eine hierarchischen Pronzip zu Mustern angeordnet, die dann etwas bilden, das einen dynamischen, autonomen Prozess von Wachsen und Vergehen aufrecht erhalten kann.
Hintergrund
Als lebendig bzw. als Lebewesen gelten unter Biologen allgemein jene „Objekte“, die folgende Merkmale und Fähigkeiten besitzen:
- Energie- und Stoffwechsel und damit Wechselwirkung mit ihrer Umwelt.
- Organisiertheit und Selbstregulation (Homöostase).
- Reizbarkeit, das heißt sie sind fähig, auf chemische oder physikalische Änderungen in ihrer Umwelt zu reagieren.
- Fortpflanzung, das heißt, sie sind zur Reproduktion fähig.
- Vererbung, das heißt, sie können Informationen (Erbgut) an ihre Nachkommen übermitteln.
- Wachstum und damit die Fähigkeit zur Entwicklung.
Allerdings sind die Grenzen hier und da auch fließend und bisweilen ungenau. Bestes Beispiel hierfür sind Viren, über deren Status als Lebewesen (vergleichbar mit Bakterien) selbst Wissenschaftler immer noch streiten.
Mit DASH haben die Cornell-Ingenieure nun ein Biomaterial erzeugt, das sich ebenfalls autonom aus kleinsten Bausteinen erstellen kann, nachdem es zunächst im Nanomaßstab Polymere bildet, die dann auch Formen von mehreren Millimetern annehmen kann.
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Das DASH-Ausgangsmaterial basiert auf einer Samenfolge aus 55-Nukleotidenbasen. Die DNA-Moleküle wurden dann hundertausendfach multipliziert, um so mehrere Millimeter lange, sich wiederholende DNA-Ketten erzeugten. Kombiniert mit einer Reaktionslösung (durch die der Energiefluss ermöglicht wurde) konnte die DNA dann auch ihre eigenen neuen Stränge synthetisieren.
„Sowohl die Fähigkeit sich zu bewegen, wie auch die zu konkurrieren – alle diese Prozesse sind in sich geschlossen“, erläutert Luo. „Es gibt keine Einflüsse von außen. Das Leben begann vor Milliarden von Jahren vielleicht anhand einiger weniger Moleküle. Das hier könnte der gleiche Vorgang sein.“
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Allerdings sei das jetzt vorgestellte, Leben-imitierende Material noch sehr einfach. Zugleich könne es aber die Grundlage dafür bilden, dass Roboter sich mit seiner Hilfe selbst konstruieren können, ohne, dass es hierzu noch Menschen benötigt. Diese Roboter könnten sich dann sogar selbst reproduzieren, so die Forscher.
In weiteren Schritten hoffen die Wissenschaftler nun, dass das Material zukünftig auch in der Lage sein wird, darauf programmiert zu werden, von bestimmten Stimuli – beispielsweise Nahrung und/oder Licht – angezogen zu werden oder diese zu meiden. Auch erhoffen sie sich die Langlebigkeit des DASH-Materials zu erhöhen. Bislang hält das Material zwei Synthese-Zyklen, bevor es beginnt zu degenerieren.
„Derzeit sei das DASH-Design noch sehr einfach, doch schon mit diesem einfachen Design konnten wir ein vergleichsweise komplexes Verhalten wie das besagte Wettrennen erzeugen. Es zeigt aber schon neuen Ansätze zur Entwicklung dynamischer Maschinen aus Biomolekülen“, so die Forscher abschließend. „Das hier ist jetzt der erste Schritt hin zur Herstellung lebensähnlicher Roboter durch künstliche Stoffwechsel – eine neue Grenze der Robotik.“ Selbst die Vorstellung von einer eigenen Form der Evolution dieser „Entwicklungen“ sei durchaus möglich.
…was sollte da also schon schief gehen?
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