Klassisches Silizium bekommt ungewöhnliche Konkurrenz aus dem Labor. MIT-Forscher erschufen einen funktionsfähigen Bakterien-Computer, der logische Operationen verarbeiten kann. Diese biobasierten Platinen sollen keine klassischen Chips ersetzen, sondern künftig als autonome Schutzschilde direkt auf Pflanzen in der Landwirtschaft agieren.
Wenn wir eins aus der Natur wissen, dann, dass Mikroorganismen so einiges aushalten können. Mit einem neuen Ansatz eines Forscherteams des Massachusetts Institute of Technology könnten sie bald auch noch Daten verarbeiten. Die Wissenschaftler haben genetisch veränderte Bakterien in echte Rechenbausteine verwandelt. In ihren Ergebnissen beschreiben sie, wie sogenannte Pantoea-agglomerans-Bakterien komplexe logische Operationen ausführen. Anstatt eine einzelne Zelle mit zu vielen Aufgaben zu überfordern, teilt das Team die Arbeit auf mehrere miteinander vernetzte Bakterienkolonien auf. Das Ergebnis ist eine biologische Platine, die nach den gleichen logischen Grundregeln funktioniert wie eine elektronische Leiterplatte.
Das Prinzip funktioniert wie der Versand eines Paketes. Die Forscher platzierten einzelne Bakterienkolonien auf einem Nährboden in Petrischalen. Diese fungierten daraufhin als chemische Schalter. Empfängt eine Station ein Signal, verarbeitet sie die Information und schickt einen neuen molekularen Botenstoff weiter zur nächsten Station. Damit die Signale zielgerichtet fließen, werden die Kolonien in einem Abstand von etwa fünf Millimetern zueinander platziert. Das soll sicherstellen, dass die Informationen nur zur nächstgelegenen Kolonie wandern und so geordnet in eine Richtung fließen.
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Brieftauben im Mikromaßstab: So funktionieren die Bakterien-Computer
Insgesamt basiert das System auf genau fünf spezialisierten Stämmen der Bakterienart. Zwei davon übernehmen die Rolle von Transistoren und fungieren so als klassische Schalter. Die übrigen drei Stämme arbeiten als Relaisstationen, die Signale übersetzen und weiterleiten. Zur Steuerung nutzt das Forscherteam spezifische Moleküle. Das Molekül OC-6 schaltet etwa den biologischen Transistor an oder aus. Als Zielmolekül dient OC-12, während das Molekül OHC-14 als finales Ausgangssignal zur nächsten Kolonie wandert. So lassen sich mathematische Logikgatter wie ODER-Verknüpfungen bauen oder Signale wie bei einer Weiche gezielt umleiten.
Der bislang größte biologische Schaltkreis der Forscher soll aus 24 miteinander verschalteten Bakterienkolonien bestehen. Dieses Netzwerk ist laut den Angaben bereits in der Lage, zwei Eingangssignale korrekt miteinander zu addieren. Doch die Rechenleistung unterscheidet sich stark von klassischen Computerchips. Ein einziger Rechenschritt dauert etwa acht Stunden. So eine Verarbeitung ist in klassischen Computersystemen zwar unzureichend. Gehen wir in die Biologie, dann ergibt sich aber ein anderes Bild. Denn natürliche Prozesse wie das Wachstum einer Pflanze laufen ohnehin in stundenlangen Zyklen ab.
Kein Ersatz für Prozessoren, aber perfekt für das Feld
Das bedeutet folglich, dass wir wohl zeitnah keine organischen Laptops in unseren Händen halten. Trotzdem gibt es einen Nutzen für diese langsame Datenverarbeitung. Und zwar auf den Feldern der Landwirtschaft. Das Forscherteam stellt sich vor, die lebenden Schaltkreise als hauchdünne Schutzschicht direkt auf Pflanzenblätter oder Wurzeln aufzutragen. Dort könnten die Bakterien als autonome Wächter agieren, die Dürreperioden oder Schädlingsbefall frühzeitig erkennen.
Denn trifft eine solche Bedrohung ein, berechnen die Mikroorganismen die Lage selbstständig vor Ort. Diese Informationen könnten dann dazu dienen, direkt mit der Produktion eines passenden Abwehrstoffes zu beginnen. Mit ihrem Ansatz umgehen die Forscher auch eine Hürde herkömmlicher biologischer Schaltkreise. Denn häufig ist die die Proteinherstellung überlastet, wenn eine einzelne Zelle zu viele Aufgaben auf einmal ausführen muss.
So könnte dem Bakterien-Computer eine spannende Zukunft bevorstehen und die Verschaltung von Biologie und Logik den Pflanzenschutz grundlegend verändern. Gerade in einer Welt, in der Schädlinge und Dürren aufgrund des Klimawandels eher zur Regel als zur Ausnahme werden.
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