• 25.10.2018
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iGEM 2018: Auch ein Team von der ETH Zürich ist am Start

Eine Spürnase auf vier Rädern im internationalen Wettbewerb

AROMA
Bild: iGEM ETH Zurich
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AROMA
AROMA (Bild: iGEM ETH Zurich)

AROMA – mit diesem Akronym startet das iGEM-Team der ETH Zürich in den internationalen Wettbewerb für Synthetische Biologie des Jahres 2018. Das Kürzel steht für Autonomous Robot for Odorant Measurement in Air. Und der Name ist Programm: Das Team, das die Disziplinen Biologie, Elektronik und interdisziplinäre Studien vereint, baut einen Roboter, der fähig sein soll, in der Umgebungsluft «Witterung aufzunehmen», sprich: bestimmte Substanzen zu riechen.

Die Einsatzmöglichkeiten für AROMA wären vielfältig. Ein solches Gerät könnte beispielsweise verwendet werden, um anhand entsprechender Moleküle Lecks an Erdölpipelines oder Landminen aufzuspüren. Das Prinzip: Der Roboter – seine Gestalt erinnert an einen kleinen Geländewagen – bewegt sich «der Spur nach», d.h. folgt der Konzentration der Moleküle bis zu ihrer Quelle. «Wir haben uns für ein Projekt ausserhalb der therapeutischen Life Sciences entschieden, weil diese im iGEM-Wettbewerb meistens sehr gut vertreten sind», erklärt Oliver Baltensperger vom iGEM-Team.

Das Besondere am Projekt des iGEM-Teams ist, dass es Elektrotechnik mit Biologie verbindet. Anstelle eines herkömmlichen Messfühlers steuert nämlich ein zellbasierter Biosensor den Roboter. Die jungen Forscherinnen und Forscher haben zwei verschiedene Ansätze getestet, um dem schwerwiegendsten Nachteil solcher Sensoren Herr zu werden: ihrer langen Reaktionszeit. Denn üblicherweise reagieren sie, wenn ein Reiz auf die Rezeptoren der Zelle einwirkt und diese als Folge davon ein Protein exprimiert – ein Prozess, der etliche Minuten in Anspruch nimmt.

Zwei verschiedene Ansätze im Blickpunkt

Um einen schnell reagierenden Biosensor zu erzielen, nutzt das iGEM-Team den Chemotaxis-Reaktionsweg von Escherichia coli. Die Chemotaxis ist eine der grundlegendsten Reaktionen von Bakterienzellen, indem diese die Richtung ihrer Fortbewegung aufgrund der Konzentration bestimmter Substanzen resp. Moleküle einschlagen. Das Bewegungsmuster der Bakterien verändert sich und kann unter dem Mikroskop beobachtet werden. Dies nutzt der Roboter aus, denn in seiner «Nase» befinden sich die Bakterien zusammen mit einem selbstgebauten Lichtmikroskop. Ein Algorithmus analysiert die Bewegung der Bakterien und überträgt das Signal auf den Roboter, der sich entsprechend in die Richtung der Quelle der Substanz bewegt. Um das Signal unter dem Mikroskop zu verstärken, haben die Studierenden die Bakterien auf dem Objektträger fixiert und Mikropartikel – sogenannte Beads – an die Zellen gehängt. Dass der bakterielle Biosensor grundsätzlich gut funktioniert, konnten die Nachwuchswissenschaftler mit einem natürlichen Duftstoff, Aspartat, überprüfen.

Ein anderer Ansatz der Gruppe basiert auf einem in Bakterien hergestellten Fluoreszenzprotein, das geteilt wurde. Ein hinzugefügtes Bindungsprotein fügt beide Teile zusammen, sobald entsprechende Duftmoleküle in der Umgebung vorhanden sind. Je höher deren Konzentration, desto stärker leuchtet das wieder vereinigte Fluoreszenzprotein. Auch diese visuellen Signale werden vom Mikroskop detektiert und an den Roboter weitergeleitet.

Die visuellen Signale – beim einen Ansatz die Bewegung des Bakteriums, beim anderen die Leuchtkraft – geben dem Roboter die Richtung vor, in die er sich bewegen soll.

Adaptation als Herausforderung

Damit «AROMA» tatsächlich in der Lage wäre, seine vielfältigen Aufgaben zu erfüllen, müsste der Roboter allerdings auf verschiedene Duftmoleküle angesetzt werden können. Die jungen Wissenschaftler haben daher versucht, den Chemotaxis-Rezeptor zu adaptieren. In der iGEM-Bibliothek fanden sie eine Anleitung, um den Rezeptor für Vanillin sensitiv zu machen. Im Experiment schlug diese Adaptation bis jetzt allerdings fehl.

Dass die Ergebnisse früherer iGEM-Ausgaben gesammelt werden, damit die Forschung auf ihnen aufbauen kann, ist ein Charakteristikum des internationalen Wettbewerbs (s. Kasten). Jedes teilnehmende Team muss denn auch die von ihm neu entwickelten DNA-Bauteile – die sogenannten Biobricks – abliefern. Im Fall des ETH-Teams sind es das geteilte und mit «Bioklebstoff» ausgestattete Fluoreszenzprotein sowie das mit den Mikropartikel versehene E coli-Bakterium.

Überstunden und Leidenschaft

Das iGEM-Team, dessen Mitglieder aufgrund von Bewerbungen ausgesucht wurden, hat seine Arbeit im Mai dieses Jahres aufgenommen. Zunächst galt es, eine eigene Projektidee zu entwickeln und die entsprechende Fachliteratur zu studieren. Die eigentliche Forschungsarbeit kam ab Juli richtig in Fahrt: «12 Stunden im Labor – das schweisst zusammen!», sind sich die jungen Wissenschaftler einig, die darüber hinaus auch die generelle Hilfsbereitschaft an der Hochschule loben: «Wann immer wir etwas brauchen, greift man uns unter die Arme, wenn wir sagen, dass es um iGEM geht». Allein die in Aussicht gestellten «Credits» sind es nicht, die zum grossen Aufwand motivieren; vielmehr ist es die Mischung aus Eigenständigkeit, Freiheit und Neugier, die das Team anstachelt – und nicht zuletzt die Lust, sich mit anderen Forschungsgruppen zu messen.

Die Aufgaben der iGEM-Teams beschränken sich aber nicht auf die wissenschaftliche Tätigkeit im engeren Sinn. Vielmehr fordern die Teilnahmebedingungen unter dem Stichwort «human practices» auch den Austausch mit der Öffentlichkeit. Und so standen die Mitglieder des Teams an einem Samstag im September in der Basler Innenstadt interessierten Passanten Rede und Antwort, stellten ihr Projekt vor und unterhielten sich generell über die Einsatzmöglichkeiten gentechnisch veränderter Organismen. Auch Sicherheit wird gross geschrieben, und das Team muss sich Gedanken darüber machen, welche allfälligen Sicherheitslücken es geben könnte und wie diesen vorgebeugt werden können; Oliver Baltensperger wurde denn auch zum Sicherheitsverantwortlichen der Gruppe ernannt.

Verschiedene Auszeichnungen

Im Rahmen des iGEM-Wettbewerbs werden verschiedene Auszeichnungen verliehen. So können die eingereichten Poster, die neu entwickelten «basic parts» bzw. Biobricks, die Präsentation des Projektes oder noch andere Aspekte prämiert werden. Die Preise werden in Form von Silber- und Goldmedaillen verliehen oder als «Nomination», wenn ein Projekt als Anwärter auf eine Medaille gehandelt wurde.

Das Poster des ETH iGEM-Teams 2018 wurde im Rahmen des «European Meet up» in München schon 'mal mit einem ersten Preis ausgezeichnet. Und eines steht fest: Gäbe es auch eine Auszeichnung für das treffendste Akronym eines Projektes, dann hätte AROMA eine Goldmedaille auf sicher.

AROMA - ETH Zurich | iGEM 2018

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