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Biosensor: Forscher bauen Bakterien-Lichtorgel

Es sieht aus wie eine Mikroben-Disco, was US-Forscher mit E.-Coli-Bakterien angestellt haben. Sie haben die Einzeller genetisch so umgebaut, dass die wie Glühlampen rhythmisch aufleuchten, wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern. Keine Spielerei, sondern der perfekte Biosensor.

Jesse Stricker und seine Kollegen von der Universität von Kalifornien in San Diego haben E.-Coli-Bakterien ein Licht aufgehen lassen: Dank einer geschickten Kombination von Gen-Schaltern, die die Forscher in die Einzeller einschleusten, leuchteten die Bakterien in regelmäßigen Abständen grün auf, sobald sie mit einer Zuckerlösung aus Arabinose in Kontakt kamen (siehe Video).

Nach einer Weile hörten die Bakterien wieder auf zu leuchten. Der Leucht-Rhythmus war gleichmäßig und ließ sich durch Temperatur und Nährlösung von außen beeinflussen, schreiben die Wissenschaftler im Fachmagazin " Nature".

Die blinkenden Bakterien sind nicht als Spielerei gedacht: Mit unterschiedlichsten Gen-Schaltern ausgestattet, könnten sie als biologische Sensoren eingesetzt werden, um kleinste Veränderungen in der Umgebung umgehend sichtbar zu machen. Ein solcher Gen-Schaltkreis könnte aber auch eingesetzt werden, um Menschen mit genetischen Störungen regelmäßig mit Wirkstoffen zu versorgen, hoffen die Forscher.

Um die E.-Coli-Bakterien in Blinkmikroben zu verwandeln, statteten die Wissenschaftler sie mit verschiedenen Zusatzgenen aus, die einen Rückkoppel-Schaltkreis bildeten. Eines der Gene war ein Verstärker, um das Ablesen eines anderen Gens zu erhöhen. Das andere Gen war eine Bremse und hatte genau den gegenteiligen Effekt. Zusätzlich fügten die Forscher noch ein Gen ein, das die Anleitung für ein grün leuchtendes Eiweiß aus Quallen enthielt - das sogenannte GFP (grün fluoreszierendes Protein). Für dessen Entdeckung war vor kurzem erst der Chemie-Nobelpreis verliehen worden.

Künftiges Ziel: Bakterien sollen synchron leuchten

Das GFP stand am Ende der Gen-Kaskade. Die neuen Erbgutabschnitte wurden anschließend so miteinander gekoppelt, dass die Zelle zuerst den Verstärker produzierte und dann, mit einer gewissen Verzögerung, die Bremse. Gestartet wurde der Zyklus durch die Zugabe eines Zuckers namens Arabinose.

Sobald die Bakterien mit dem Zucker in Berührung kamen, kam die Gen-Kaskade in Gang: Die zunehmende Menge des Verstärkerproteins führte zu einem positiven Rückkopplungseffekt und beschleunigte sowohl die Bildung des Verstärkers als auch des GFP - mit der Folge, dass die Bakterien zu leuchten begannen. Nach einer gewissen Zeit stieg jedoch auch die Menge des Bremsproteins an. Überschritt sie eine gewisse Schwelle, setzte eine negative Rückkopplung ein und die Produktion von Verstärker, GFP und Bremsprotein wurde wieder gestoppt. Das bereits vorhandene GFP zersetzte sich und das Leuchten verschwand. Zugleich sank das Level der Steuerproteine - so lange, bis die Menge des Bremsproteins unter einen Schwellenwert geriet und der Zyklus von vorne begann.

Der Effekt war, dass die Bakterien oszillierend leuchteten, mit einem Rhythmus zwischen 13 und 58 Minuten - je nach Temperatur und Zuckerkonzentration. Allerdings startete das Leuchten bei den einzelnen Bakterien zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Die Forscher wollen daher noch versuchen, alle Bakterienzellen einer Kolonie so miteinander zu verschalten, dass sie synchron leuchten und so die Taktung der Uhr besser zu erkennen ist.

lub/ddp

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