Ingenieurinnen und Ingenieure brauchen in synthetischen Zellen einen steuerbaren Kraftgenerator, um Bewegung, Formveränderung oder Teilung zu ermöglichen. Die Forschenden um Saad Bhamla übertrugen die Strategie gewisser Ciliaten, die Calcium für ultraschnelle Kontraktionen nutzen und ATP später zum Wiederaufladen verwenden, auf ein künstliches Proteinnetzwerk. Im Labor stellten sie Tetrahymena thermophila calcium-binding protein 2 (Tcb2) her und reinigten es; das Protein bildet ein faseriges Netzwerk, das bei Calciumzufuhr kontrahiert.
Zur Kontrolle nutzten die Autorinnen und Autoren ein lichtempfindliches "Käfig"-Molekül, das Calcium zurückhält, bis es durch Licht gespalten wird. Mit projizierten Lichtmustern in Form von Sternen und Kreisen setzte das Team Calcium lokal frei, sodass sich das Netzwerk in den passenden Formen zusammenfügte und zusammenzog. Gepulstes Licht ermöglichte wiederholte Zyklen: das Netzwerk kontrahierte etwa 150 Zyklen und erreichte Kontraktionsgeschwindigkeiten von etwa 0,4 Mikrometer pro Sekunde. Zudem zeigte das System, dass es mikroskopische Partikel bewegen kann, ein wichtiger Schritt zur steuerbaren Aktuation in synthetischen Abgabesystemen.
Die Forschenden erstellten ein Computermodell und nutzten Verstärkendes Lernen (Reinforcement Learning), um Lichtmuster zu optimieren, die das Netzwerk gezielt schieben oder ziehen. Saad Bhamla verglich das Design mit einem Prius: ATP lade die Calciumvorräte, und das gespeicherte Calcium werde bei Bedarf freigesetzt. Die Studie wurde teilweise von der National Science Foundation finanziert; die geäußerten Meinungen und Schlussfolgerungen sind die der Autorinnen und Autoren.
Schwierige Wörter
- Kraftgenerator — Gerät, das mechanische Energie erzeugt und abgibt
- kontrahieren — sich zusammenziehen und dabei kürzer werdenkontrahiert, kontrahierte
- Calciumzufuhr — Zuführung von Calciumionen in ein System
- lichtempfindlich — auf Licht reagierend, durch Licht steuerbarlichtempfindliches
- Lichtmuster — bestimmte Anordnung von Lichtpunkten oder FormenLichtmustern
- verstärkendes Lernen — Algorithmische Methode, die durch Belohnung lernt
- Aktuation — kontrollierte Erzeugung von Bewegung oder Kraft
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Diskussionsfragen
- Welche möglichen Anwendungen sehen Sie für ein Proteinnetzwerk, das mikroskopische Partikel bewegen kann? Nennen Sie Gründe.
- Welche Vorteile hat die Trennung von schneller Calcium-Kontraktion und ATP-basierter Wiederaufladung für synthetische Zellen?
- Welche technischen Probleme könnten auftreten, wenn man diese Methode in komplexen synthetischen Systemen einsetzen will?
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