Normalerweise entstehen Fotografien entweder durch Belichtung eines Chips oder einer silberhaltigen Chemikalie – doch es geht auch anders: Amerikanische Wissenschaftler haben erstmals eine hochauflösende Fotografie auf der Basis lebender Bakterien erzeugt. Als biologischer Film dienten ihnen Milliarden von gentechnisch veränderten Zellen der Allerweltsmikrobe Escherischia coli.
Entstanden ist das „lebende Foto“ im Rahmen des vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) veranstalteten Wettbewerbs „Genetically Engineered Machine (iGEM)“, bei dem Arbeiten auf dem neuen Feld der synthetischen Biologie bewertet wurden. Ziel dieser Forschungsrichtung ist es, Gene für erwünschte Eigenschaften zu identifizieren und diese dann so in Mikroorganismen zu kombinieren, dass diese zu nützlichen Werkzeugen für die Medizin oder Technologie werden. Chris Voigt, Assistenzprofessor für pharmazeutische Chemie an der Universität von Kalifornien in San Francisco und einer der führenden Köpfe der synthetischen Biologie wurde mit seinen Kollegen für das „lebende Foto“ ausgezeichnet, sein Artikel ist in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature erschienen.
Genmanipulation lässt Mikrobe „ein Licht aufgehen”
Das Bakterium Escherischia coli lebt im Dauerdunkel des menschlichen Verdauungsapparats und kann daher normalerweise Licht nicht wahrnehmen – ihm fehlen schlicht die Rezeptoren dafür. Levskaya und Voigt mussten daher die Mikrobe „umprogrammieren“. Das Lichtrezeptor-Protein einer photosynthetisch aktiven Blaugrünalge wurde so auf die Zelloberfläche des Bakteriums „verpflanzt“ und dank einiger Manipulation des Zellstoffwechsels lieferte der Einzeller dann auch diesem „Fremdrezeptor“ die chemische Substanz, die er zum Funktionieren, zur Lichtwahrnehmung brauchte.
Im nächsten Schritt modifizierten die Forscher den neuen Rezeptor genetisch so, dass er bei Beleuchtung ein Gen ausschaltete, das für die Produktion eines farbigen Pigments verantwortlich war. „Im Prinzip verleihen wir der Mikrobe neue Fähigkeiten, indem wir unterschiedliche gengesteuerte Eigenschaften kombinieren, die entweder sie selbst oder andere Organismen schon haben“, erklärt Voight.
Lichtgesteuerte Pigmentproduktion
Wie aber wurde daraus das „lebende Foto“? Ganz einfach: Die Wissenschaftler impften eine kleine Dosis der genmanipulierten Bakterien in ein Nährmedium. Dann stellten sie die Kulturschale mit den Mikroben für zwölf bis 15 Stunden in einen warmen, wachstumsfreundlichen Brutkasten. Ein spezieller Projektor bestrahlte die sich entwickelnden Bakterien mit dem Hell-Dunkel-Bild des gewünschten Motivs.
Die Mikroben, die während der Belichtungszeit in den hellen Gebieten der Petrischale wuchsen, reagierten auf das Licht, aktivierten das neue Pigmentgen und produzierten einen dunklen Farbstoff. Die im Schatten liegenden blieben dagegen untätig. Als Folge entwickelte sich ein Abbild des projizierten Motivs – gebildet aus lebenden Zellen.
Und das mit einer erstaunlich hohen Auflösung. “Wir schätzen, dass die Auflösung dieser “Fotografien” bei rund 100 Megapixeln liegt, damit ist sie etwa zehn Mal höher als die hochauflösender Drucker“, erklärt Anselm Levskaya, Biophysik-Doktorand und an der Entwicklung der “Fotomikrobe” beteiligt.
Technik für maßgeschneiderte mikrobielle Werkzeuge
Die im Rahmen dieses Projekts eingesetzten neuen Techniken könnten in Zukunft dafür eingesetzt werden um Mikroorganismen gezielt auf bestimmte Eigenschaften und Fähigkeiten hin zu manipulieren. „Unsere lebenden Fotos sind ein spielerisches Beispiel dafür , wie durch die synthetische Biologie nützliche Werkzeuge für Medizin und andere Technologien erzeugt werden können“, so Voight.
„Mit der wachsenden Anzahl von sequenzierten Mikroben können wir im großen Werkzeugfundus der Natur suchen, um diejenigen zu finden, die für den Job passen“, ergänzt Levskaya. Als nächsten Schritt planen die Forscher eine weitere Verbesserung ihres „Fotos“: Sie wollen Bakterien produzieren, die die Konturen eines Bildes finden und sich gezielt in einer Kette entlang dieser kante anordnen – ein Prozess, der nicht nur Lichtsensibilität erfordert, sondern auch eine Kommunikation der Bakterien untereinander.
(University of California, San Francisco, 25.11.2005 – NPO)
