Biologische Signalprozesse in intelligenten Materialien

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Freiburg haben Materialsysteme entwickelt, die aus biologischen Komponenten und Polymermaterialien bestehen und in der Lage sind, Informationen wahrzunehmen und zu verarbeiten. Damit können diese so genannten biohybriden Systeme bestimmte Funktionen ausüben: beispielsweise Signalpulse zählen, um bioaktive Moleküle oder Wirkstoffe zum richtigen Zeitpunkt freizusetzen, oder Enzyme und kleine Moleküle nachweisen – etwa Antibiotika in Milch. Die interdisziplinäre Gruppe hat ihre Ergebnisse in den führenden Fachzeitschriften, darunter „Advanced Materials“ und „Materials Today“, vorgestellt.

Lebewesen – einzelne Zellen bis hin zu Organismen – sowie elektrische Systeme wie etwa Computer können auf unterschiedliche Signale und Eingangsinformationen mit einer Vielfalt an Antwortmöglichkeiten reagieren. Der grundlegende gemeinsame Nenner dieser komplexen Systeme ist ihre Fähigkeit, Informationen zu verarbeiten. In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben Wissenschaftler die Prinzipien der Elektrotechnik angewandt, um lebende Zellen zu konzipieren, die Informationen wahrnehmen, verarbeiten und damit die gewünschten Funktionen ausüben können. Dieses als synthetische Biologie betitelte Fachgebiet liefert bereits vielversprechende Anwendungen in der Medizin, Biotechnologie oder im Energie- und Umweltsektor.

„Mit unserem heutigen Verständnis der Komponenten und der biologischen Signalprozesse sind wir nun in der Lage, die biologischen Module aus der synthetischen Biologie auf Materialien zu übertragen“, erklärt Prof. Dr. Wilfried Weber, Gruppenleiter an der Fakultät für Biologie und dem Exzellenzcluster BIOSS Centre for Biological Signalling Studies. Ein wichtiger Schritt in der Entwicklung intelligenter Materialsysteme ist, die Aktivitäten aller Bausteine exakt aufeinander abzustimmen. Ansonsten könnte, ähnlich wie bei Computern, die Inkompatibilität einzelner Komponenten das gesamte System abstürzen lassen. Das Team um Weber jedoch hat optimale Zusammensetzungen gefunden – der Schlüssel dazu waren quantitative mathematische Modelle, die Prof. Dr. Jens Timmer und Dr. Raphael Engesser am Physikalischen Institut entwickelt haben.

„Das Großartige der von der synthetischen Biologie inspirierten Materialsysteme ist ihre Vielfältigkeit”, sagt Hanna Wagner, Erstautorin einer der Studien und Doktorandin der Spemann Graduiertenschule für Biologie und Medizin (SGBM). Das modulare Designkonzept, das diesen Studien zugrunde liegt, bietet eine Blaupause für die Entwicklung von biohybriden Materialsystemen, die unterschiedliche physikalische, chemische und biologische Signale aufspüren, verarbeiten und daraufhin gewünschte Funktionen ausüben können. Sie können beispielsweise Signale verstärken, Informationen speichern oder Moleküle kontrolliert freisetzen. Damit eröffnen sie ein Potenzial für vielfältige Anwendungen in der Forschung, Biotechnologie und Medizin.

Originalpublikationen

• Beyer, H.M./Engesser, R./Hörner, M./Koschmieder, J./Beyer, P./Timmer, J./Zurbriggen, M.D./Weber, W. (2018): Synthetic Biology Makes Polymer Materials Count. In: Advanced Materials.

doi: 10.1002/adma.201800472
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201870150

• Wagner, H.J./Engesser, R./Ermes, K./Geraths, C./Timmer, J./Weber, W. (2018): Characterization of the synthetic biology-inspired implementation of a materials-based positive feedback loop. In: Data in Brief.

doi: 10.1016/j.dib.2018.05.074
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352340918305808

• Wagner, H.J./Engesser, R./Ermes, K./Geraths, C./Timmer, J./Weber, W. (2018): Synthetic biology-inspired design of signal-amplifying materials systems. In: Materials Today.

doi: 10.1016/j.mattod.2018.04.006
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702118300622

Kontakt:
Prof. Dr. Wilfried Weber
Fakultät für Biologie / BIOSS Centre for Biological Signalling Studies
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-97654
wilfried.weber@bioss.uni-freiburg.de

Prof. Dr. Jens Timmer
Fakultät für Mathematik und Physik / BIOSS Centre for Biological Signalling Studies
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-5829
jeti@fdm.uni-freiburg.de