Die Wissenschaftler, die ein Bio-Internet der Dinge erschaffen

Konzeptbild von Bakterien in einer Petrischale Michael Schiffer / unsplash

Stellen Sie sich vor, Sie entwerfen das perfekte Gerät für das Internet der Dinge. Welche Funktionen muss es haben? Zunächst einmal muss es in der Lage sein, sowohl mit anderen Geräten als auch mit seinen menschlichen Oberherren zu kommunizieren. Es muss in der Lage sein, Informationen zu speichern und zu verarbeiten. Und es muss seine Umgebung mit einer Reihe von Sensoren überwachen. Schließlich wird es eine Art eingebauten Motor brauchen.

Es gibt keinen Mangel an Geräten, die viele dieser Funktionen haben. Die meisten basieren auf weit verbreiteten, kostengünstigen Geräten wie Raspberry Pis, Arduino-Boards und dergleichen.

Aber eine andere Reihe von Maschinen mit ähnlichen Funktionen ist viel zahlreicher, sagen Raphael Kim und Stefan Poslad von der Queen Mary University of London im Vereinigten Königreich. Sie weisen darauf hin, dass Bakterien effektiv kommunizieren und über eingebaute Motoren und Sensoren sowie eine leistungsstarke Architektur zur Informationsspeicherung und -verarbeitung verfügen.

Und das wirft eine interessante Möglichkeit auf, sagen sie. Warum nicht Bakterien verwenden, um eine biologische Version des Internets der Dinge zu schaffen? Heute legen sie in einem Aufruf zum Handeln einige Denkweisen und Technologien dar, die dies ermöglichen könnten.

Die Art und Weise, wie Bakterien Informationen speichern und verarbeiten, ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet, von dem sich ein Großteil auf das bakterielle Arbeitspferd konzentriert Escherichia coli . Diese (und andere) Bakterien speichern Informationen in ringförmigen DNA-Strukturen, sogenannten Plasmiden, die sie in einem als Konjugation bezeichneten Prozess von einem Organismus zum nächsten übertragen.

Im vergangenen Jahr bauten Federico Tavella von der Universität Padua in Italien und Kollegen eine Schaltung, in der man sich unbeweglich anspannte E coli übertrug eine einfache Hallo-Welt-Nachricht an einen beweglichen Stamm, der die Informationen an einen anderen Ort trug.

Diese Art der Informationsübertragung findet in der Bakterienwelt ständig statt und schafft ein fantastisch komplexes Netzwerk. Aber das Proof-of-Principle-Experiment von Tavella und Co. zeigt, wie es genutzt werden kann, um eine Art Bio-Internet zu schaffen, sagen Kim und Poslad.

E coli ein perfektes Medium für dieses Netzwerk. Sie sind beweglich – sie haben einen eingebauten Motor in Form von winkenden, fadenähnlichen Anhängseln, die Flagellen genannt werden und Schub erzeugen. Sie haben Rezeptoren in ihren Zellwänden, die Aspekte ihrer Umgebung wahrnehmen – Temperatur, Licht, Chemikalien usw. Sie speichern Informationen in DNA und verarbeiten sie mithilfe von Ribosomen. Und sie sind winzig, was es ihnen ermöglicht, in Umgebungen zu existieren, auf die von Menschenhand geschaffene Technologien nur schwer zugreifen können.

E coli sind auch relativ einfach zu manipulieren und zu konstruieren. Die Basisbewegung der DIY-Biologie macht biotechnologische Werkzeuge billiger und leichter verfügbar. Der Amino-Lab , zum Beispiel, ist ein Gentechnik-Baukasten für Schulkinder zum Umprogrammieren E coli unter anderem im Dunkeln leuchten.

Diese Art von Biohacking wird relativ verbreitet und zeigt das bemerkenswerte Potenzial eines Bio-Internets der Dinge. Kim und Poslad sprechen über eine Vielzahl von Möglichkeiten. Bakterien könnten programmiert und in verschiedenen Umgebungen wie dem Meer und „intelligenten Städten“ eingesetzt werden, um nach Toxinen und Schadstoffen zu suchen, Daten zu sammeln und biologische Sanierungsprozesse durchzuführen, sagen sie.

Bakterien könnten sogar umprogrammiert werden, um Krankheiten zu behandeln. Die Bakterien beherbergen zum Beispiel DNA, die nützliche Hormone kodiert, und können zu einem ausgewählten Ziel im menschlichen Körper schwimmen und die Hormone produzieren und freisetzen, wenn sie vom internen Sensor der Mikrobe ausgelöst werden, schlagen sie vor.

Natürlich gibt es verschiedene Nachteile. Während die Gentechnik allerlei amüsante Experimente ermöglicht, bereiten dunklere Möglichkeiten Biosicherheitsexperten schlaflose Nächte. Es ist zum Beispiel nicht schwer, sich Bakterien vorzustellen, die als Vektoren für verschiedene böse Krankheiten fungieren.

Es ist auch einfach, Bakterien zu verlieren. Eine Sache, die sie nicht haben, ist das Äquivalent von GPS. Es ist also schwierig, sie zu verfolgen. Tatsächlich kann es fast unmöglich sein, die von ihnen übermittelten Informationen nachzuverfolgen, sobald sie in die Wildnis entlassen werden.

Und darin liegt eines der Probleme mit einem biologischen Internet der Dinge. Das herkömmliche Internet ist eine Möglichkeit, mit einer Nachricht an einem Punkt im Raum zu beginnen und sie an einem anderen, vom Absender gewählten Punkt neu zu erstellen. Es ermöglicht Menschen und zunehmend Geräten, auf der ganzen Welt miteinander zu kommunizieren.

Das Bio-Internet von Kim und Poslad hingegen bietet eine Möglichkeit, eine Nachricht zu erstellen und zu veröffentlichen, aber wenig zu kontrollieren, wo sie landet. Das durch bakterielle Konjugation geschaffene Bionetzwerk ist so verblüffend groß, dass sich Informationen mehr oder weniger überall ausbreiten können. Biologen haben den Prozess der Konjugation beobachtet, bei dem genetisches Material von Bakterien auf Hefen, Pflanzen und sogar auf Säugetierzellen übertragen wird.

Auch die Evolution spielt eine Rolle. Alle Lebewesen sind seinen Kräften unterworfen. Egal wie gutartig ein Bakterium erscheinen mag, der Evolutionsprozess kann durch Mutation und Selektion verheerende Folgen haben, mit unmöglich vorhersehbaren Folgen.

Dann gibt es das Problem der schlechten Akteure, die dieses Netzwerk beeinflussen. Das konventionelle Internet hat mehr als nur einen fairen Anteil an Personen angezogen, die Malware für schändliche Zwecke veröffentlichen. Das Interesse, das sie an einem biologischen Internet der Dinge haben könnten, ist der Stoff für Alpträume.

Kim und Poslad erkennen einige dieser Probleme an und sagen, dass die Schaffung eines bakterienbasierten Netzwerks neue ethische Probleme aufwirft. Solche Herausforderungen bieten ein reichhaltiges Diskussionsfeld über die breiteren Auswirkungen von bakteriengesteuerten Internet-of-Things-Systemen, schließen sie mit einer gewissen Untertreibung.

Das ist eine Diskussion, die es wert ist, früher als später geführt zu werden.

Ref: arxiv.org/abs/1910.01974 : Die Sache mit E. coli: Hervorhebung von Chancen und Herausforderungen bei der Integration von Bakterien in IoT und HCI

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