Hana El-Samad ist ein bisschen ein Kontrollfreak. Sie ist besessen von der Idee, Ordnung in das Chaos zu bringen, seit sie als kleines Mädchen auf dem Höhepunkt des langwierigen Bürgerkriegs im Libanon aufgewachsen ist. Tagsüber vergrub sich El-Samad in den Lehrbüchern, die ihre Mutter, eine Mathematiklehrerin, nach Hause gebracht hatte - das unfehlbare Gesetz und die Reihenfolge der Zahlen und Gleichungen, die sie gegen die Unsicherheit draußen verhüllte.
Als sie aufs College kam, verwandelte sich diese Vorliebe in eine Karriere. Zu diesem Zeitpunkt fand sie ein Gebiet namens Feedback-Control-Theorie - die Untersuchung, wie komplexe Systeme sich selbst regulieren. "Alles ist gerade in den Fokus gerückt", sagt El-Samad, jetzt ein Systembiologe an der UC San Francisco. „Es gibt ein System der gegenseitigen Kontrolle, das sicherstellt, dass die Verrücktesten von uns wieder in Einklang gebracht werden, und das gilt auch für menschliche Gesellschaften, Ökosysteme und Organismen. Manchmal fallen diese Systeme aus. Und du kriegst. Oder Krankheit."
Sie begann Roboter zu bauen und entwickelte Regelalgorithmen, um ihre Bewegungen zu stabilisieren. Einige Jahre später arbeitete sie als Doktorandin in Ames, Iowa, an automatisierten Flugsteuerungssystemen für Rockwell Collins, einen US-amerikanischen Auftragnehmer für die Luft- und Raumfahrt. El-Samad befürchtete jedoch, dass ihre Arbeit in Kriegsgebieten landen würde, in denen sie aufgewachsen war. In diesem Moment entwarf sie stattdessen Schaltkreise für lebende Zellen.
Sie war nicht allein. In den frühen 2000er Jahren schlossen sich viele Elektroingenieure und Steuerungstheoretiker dem aufstrebenden Gebiet der synthetischen Biologie an und dachten, sie könnten biologische Schaltkreise entwerfen, um den Informationsfluss in einer Zelle zu steuern, genau wie die physikalischen Versionen Elektronen um Computerchips bewegten. Sie begannen, DNA-Strings zu entwerfen, die in der Natur noch nie zuvor gesehen wurden, und steckten diese synthetischen Betriebssysteme in Bakterien und Hefen. Aber diese Werkzeuge blieben stumpf. Sicher, Sie könnten ein Malariamedikament herstellen, das E. coli aufstößt, aber Sie könnten ihm nicht sagen, dass er die Herstellung des Arzneimittels einstellen soll, wenn zu viel vorhanden ist, oder einfach jeden Tag zur gleichen Zeit eine bestimmte Menge herstellen soll. Dafür brauchten Sie eine Rückkopplungskontrolle.
"Es gibt ein System der gegenseitigen Kontrolle, das sicherstellt, dass die Verrücktesten von uns wieder in Einklang gebracht werden. Das gilt in menschlichen Gesellschaften, in Ökosystemen und in Organismen."
-Hana El-Samad, UC San Francisco
Und hier kommt El-Samad ins Spiel - zusammen mit den Ideen eines russisch-amerikanischen Ingenieurs namens Nicolas Minorsky. Jedes Mal, wenn Sie den wadenschonenden Tempomat Ihres Autos einschalten oder sich in Ihrem Nest-fähigen, kühlen, aber nicht kalten Zuhause aalen, können Sie Minorsky danken. In den 1920er-Jahren gelang es Minorisky aufgrund seiner Vorliebe für Kalkül und geduldigen Beobachtungen von Steuermännern, die US-Schlachtschiffe steuern, die mathematische Theorie hinter der Proportional-Integral-Derivat-Regelung (PID) herauszufinden. PID-Algorithmen gibt es heutzutage überall in der modernen Welt. Sie führen Autopilot-Programme für Flugzeuge durch, verhindern, dass Fertigungsroboter ihre menschlichen Mitarbeiter zum Erliegen bringen, und machen intelligente Thermostate, na ja, intelligent.
Diese Woche gaben El-Samad und ein Team von Mitarbeitern von David Bakers Labor an der Universität von Washington bekannt, dass sie herausgefunden hatten, wie ein biologisches Äquivalent eines PID-Algorithmus hergestellt werden kann. Es beginnt mit einem Designer-Protein - sie nennen es LOCKR, kurz für Latching Orthogonal Cage Key PRoteins. Der LOCKR hat die Form eines Käfigs mit einer verriegelten Tür auf der einen Seite und öffnet sich weit, wenn er mit einem vorgegebenen Molekül in Berührung kommt. Dabei werden alle Funktionen sichtbar, die Forscher im Käfig verborgen haben.
In einer Version ist diese Funktion beispielsweise ein Tag, das alles, was daran angehängt ist, auf einem zellularen Müllhaufen verurteilt. Nehmen wir an, Sie haben ein Enzym, das Molekül A in Moleküle B und C zerlegt. Sie befürchten jedoch, dass Sie zu viel Molekül C enthalten, das giftig sein kann. Sie entwerfen einen LOCKR, dessen Schlüssel Molekül C ist, und fusionieren ihn mit Molekül A. Da das Enzym immer mehr Molekül C bildet, öffnet es mehr dieser LOCKR-Proteine und enthüllt ein Tag, um es zusammen mit Molekül A an den Müll zu senden Dump. Ohne Molekül A verlangsamt das Enzym die Produktion der Moleküle B und C. Und das, meine Freunde, ist ein Regelkreis.
Vernetzen Sie ein paar LOCKR-gebundene Moleküle, und Sie haben eine Schaltung, die die Funktionen einer Zelle auf die gleiche Weise steuern kann, wie ein PID-Computerprogramm die Neigung einer Ebene automatisch anpasst. Mit der richtigen Taste können Sie Zellen zum Leuchten bringen oder sich selbst in die Luft jagen lassen. Sie können Objekte in den Papierkorb der Zelle verschieben oder auf eine andere Postleitzahl zoomen. Das ist, was die Wissenschaftler gezeigt haben, dass LOCKR in Hefe tun kann. Langfristiges Ziel ist es, mithilfe von LOCKR und anderen kleinen synthetischen Molekülen menschliche Zellen so zu programmieren, dass sie sich selbst zu erkrankten Geweben, einschließlich des schwer erreichbaren Gehirns, lenken und zuverlässig eine präzise Menge an Medikamenten abgeben.
Megan Molteni befasst sich mit DNA-Technologien, Medizin und genetischem Datenschutz für WIRED.
Andere Pioniere der synthetischen Biologie waren vom Fortschritt beeindruckt. "Diese Technologie ist ziemlich cool", sagt Tim Lu, Computerbiologe am MIT und Mitbegründer von Synlogic, einem Unternehmen, das Bakterien neu programmiert, um Krebs zu bekämpfen. Es habe das Potenzial, eine schnellere Rückkopplungskontrolle zu bieten als andere Ansätze. Es bleibt jedoch noch viel zu tun, bevor Sie darüber nachdenken können, wie Sie LOCKR bei Menschen einsetzen können: „Eines der wichtigsten Dinge, die in Zukunft bewertet werden müssen, ist die potenzielle Immunogenität.“
Das ist auf der To-Do-Liste von El-Samad - herauszufinden, ob LOCKRs das Immunsystem einer Person auslösen, bevor diese das tun kann, wofür sie entwickelt wurde. Ihr Team muss diese Zellen über viele Monate und sogar Jahre hinweg untersuchen, um festzustellen, ob sie in der Lage sind, die verdeckten Kontrollcodes zu erkennen und sich gegen sie aufzulehnen.
Wenn dies möglich ist, sind menschliche Zellen nicht in der Lage, beständig Medikamente abzugeben, und das ist hier ein wichtiges Ziel. El-Samad hat einen großen Auftrag von Darpa, der Mondschussabteilung des Pentagons, erhalten, um zu lernen, wie man mehrere LOCKRs miteinander verknüpft, um traumatische Hirnverletzungen zu behandeln - eine der häufigsten Verletzungen, die Soldaten erleiden müssen. El-Samad und Wendell Lim, ein biophysikalischer Chemiker am UCSF, laden synthetische Schaltkreise in weiße Blutkörperchen, die sie entwickelt haben, um auf das Gehirn abzuzielen. Solche Zellen produzieren entzündliche und entzündungshemmende Moleküle; Der Trick ist, den richtigen Mix zu finden. Nicht genug und das Gehirn kann nicht anfangen zu heilen. Zu viel und sie können Neuronen töten, was zu Verhaltensänderungen, einer Beeinträchtigung der motorischen Fähigkeiten und einem kognitiven Verfall führt. Die von El-Samad entworfenen Schaltkreise werden die Gene, die diese Moleküle produzieren, unter die Kontrolle von LOCKR stellen, um sie ins Gleichgewicht zu bringen. Ihr Team plant, irgendwann im nächsten Jahr mit Tests an Mäusen zu beginnen.
