Zelle.exe: Datenschnittstellen zwischen Biologie und Technik – Teil 1

Das Speichern von Daten in DNA wird bereits seit mehr als 20 Jahren erforscht und das aus gutem Grund: DNA hat im Vergleich zu elektronischen Speichermedien viele Vorteile, wie beispielsweise die Datendichte. In einem Kubikmillimeter DNA lassen sich mehr als 1 Million Terabyte an Daten speichern. Auch bezüglich der Speicherdauer besitzt DNA Vorteile, da sie selbst nach jahrtausendlanger Lagerung, z. B. aus Fossilien, ausgelesen werden kann. Im Gegensatz zur konventionellen In-vitro-Speicherung von Daten in DNA, findet sich in jüngerer Zeit ein ganz neuer Ansatz: das Speichern von Daten in lebenden Zellen, sog. in vivo DNA Data Storage. Damit wäre nicht nur die Speicherung von Daten, sondern auch das Starten von »Programmen« möglich. Ist die Zelle unser neuer USB-Stick?

Die Biologische Transformation: Konvergenz von Biologie, Technik und Informatik

Neben dem Speichern von Daten in DNA gibt es eine Reihe von anderen Wegen, Informationen in Zellen einzubringen und aus diesen auszulesen. Aber warum ist nun das Speichern von Daten in lebenden Zellen überhaupt so interessant und welche Rolle wird es in Zukunft übernehmen? Die lebende Zelle als Speichermedium gewinnt im Zuge der Biologischen Transformation der Industrie immer mehr an Bedeutung. Das Kernelement der Biologischen Transformation beinhaltet die intensive Kooperation und Kombination von Produktions-, Informations- und Biotechnologie. Das Ziel ist es, den Einsatz von natürlichen bzw. biologischen Materialien, Strukturen, Prozessen und Organismen in technischen Systemen zu steigern. Hierbei sind 3 Modi von Bedeutung:

• Bio-Inspiration – Übertragung evolutionär optimierter biologischer Prinzipien und Prozesse auf die Technik (z.B. Bionik)
• Bio-Integration – Einbindung biologischer Systeme in Produktion und Produkte (z.B. biotechnische Produktion von Enzymen)
• Bio-Interaktion – Zusammenspiel von technischen, biologischen und informationstechnischen Systeme

Die systematische Interaktion der drei wesentlichen Komponenten (Biologie, Technik und Informatik) ermöglicht die Schaffung von selbstregulierenden Wertschöpfungssystemen und Produkten, die unter dem Begriff Biointelligenz zusammengefasst werden. Ein System oder Produkt wird als biointelligent bezeichnet, wenn ein Austausch von Informationen zwischen den Komponenten in Echtzeit stattfindet. Somit erfordert ein biointelligentes System die Implementierung einer Datenschnittstelle zwischen biologischen und technischen Komponenten.

Biologie-Technik-Schnittstellen als Grundlage für biointelligente Systeme

Die Entwicklung sogenannter Biologie-Technik-Schnittstellen wurde im Rahmen einer von der Bundesregierung in Auftrag gegebenen umfassenden Piloterhebung zur Biologischen Transformation (BIOTRAIN) als einer der Kernbereiche zukünftiger Forschung identifiziert. Das generische Konzept einer Biologie-Technik-Schnittstelle umfasst die Aufnahme und Verarbeitung von Informationen sowie daraus abgeleitete Steuerungsaktionen. Die wesentlichen Schnittstellenkomponenten sind entsprechende Sensoren und Aktoren. Sie basieren auf elektrischen, chemischen, mechanischen oder optischen Wirkprinzipien und realisieren eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem biologischen und technischen System.

Ziel einer solchen Schnittstelle ist es, Informationen in eine lebende Zelle einzubringen, diese dort zu speichern oder als »Programme« auszuführen und weitere Daten über diese Zelle auszulesen. Hier muss vor allem zwischen der Art der Daten unterschieden werden, die in die Zelle eingefügt und ausgelesen werden sollen. Auf der einen Seite könnten dies beliebige Daten sein, die keine Funktion in der Zelle übernehmen, wie beispielsweise Bild- oder Musikdateien. So lassen sich bspw. mp3- oder JPEG-Dateien über verschiedene Encoding- und Decoding-Strategien vom binären System in die vier Nukleotide Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin und wieder zurück konvertieren. Auf der anderen Seite bietet das Speichern von Daten in lebenden Zellen gegenüber dem konventionellen in-vitro-basierten DNA-Data-Storage den Vorteil, dass neue Genabschnitte eingebracht werden können, die funktionale Daten für die Zelle codieren. Über die Biologie-Technik-Schnittstelle können solche Daten in lebende Organismen eingefügt und damit das Prinzip und die Funktionalität des reinen DNA-Data-Storage erweitert werden. Die Zelle kann aufgrund der neuen Daten bestimmte Moleküle, Rezeptoren, Indikatoren oder Proteine herstellen. Diese Produkte können nach der Expression, sprich nach dem Ablesen und Umsetzen der DNA, eine Funktion in der Zelle übernehmen oder aber als biotechnische Produkte wie z. B. Insulin oder Tenside (Waschmittel) etc. abgesondert und aufbereitet werden. Daneben gibt es eine Vielzahl an Möglichkeiten Informationen unabhängig von DNA aus der Zelle auszulesen und in die Zelle zu induzieren. Induktionen sind Signale die von außen an die Zelle vermittelt werden können, welche daraufhin bestimmte Prozesse beginnt oder stoppt. Diese Signale können auf chemischen, physikalischen (Licht, Temperatur, Druck, Spannung, etc.), biochemischen und zellbiologischen Prinzipien beruhen.

Sowohl das Induzieren oder Speichern von funktionellen, als auch von nicht-funktionellen Informationen ist bereits Stand der Technik. Die Herausforderung besteht darin, das biologische System in einem technischen System dauerhaft zu integrieren und beide kontinuierlich miteinander informationstechnisch interagieren zu lassen. Ein gutes Beispiel dafür stellt das im folgenden Abschnitt beschriebene System dar.

Biologie-Technik-Schnittstellen in der Anwendung: Maschinen mit Geruchssinn

Ein Anwendungsbeispiel einer Biologie-Technik-Schnittstelle sind Biosensoren, die Maschinen beispielsweise einen Geruchssinn verleihen können. Dazu werden Zellen über das Einbringen von funktionellen Daten in Form von DNA so modifiziert, dass sie spezielle Rezeptoren auf der Zelloberfläche ausbilden. Die so modifizierten Zellen werden dauerhaft in einem technischen Gehäusechip am Leben gehalten und können über ihre Rezeptoren chemische Verbindungen und Moleküle aus der Umgebung binden. Die dadurch ausgelöste Reaktion in der Zelle kann über die Biologie-Technik-Schnittstelle z. B. optisch oder elektronisch ausgelesen werden. Die Control Unit nimmt die Prozessparameter auf, gibt gemessene Daten aus und steuert die Zufuhr von neuer Luft und Nährmedium. Der interessierte Leser sei an dieser Stelle auf das laufende Projekt »Wenn Maschinen riechen könnten« hingewiesen. Einer unserer Kooperationspartner, das Start-up Koniku Inc., konnte bereits den Einsatz ihres Biosensors zur Detektion von Sprengstoffen in einer Testreihe bei Airbus Ende letzten Jahres erfolgreich demonstrieren. Zusammengefasst stellt dieser Biosensor eine gelungene Integration der biologischen Rezeptorzellen in ein technisches System bei gleichzeitigem Informationsaustausch dar. Darüber hinaus könnte ein solcher Biosensor Teil einer Biologie-Technik-Schnittstelle eines übergeordneten Systems wie z. B. eines Bioreaktors der Insulin-Produktion sein.

Von USB-C zu USB-Cell: der USB-Stick als Analogie für Biologie-Technik-Schnittstellen

Systeme wie das im obigen Abschnitt beschriebene sind derzeit lediglich Einzellösung, die in der Regel nicht oder nur bedingt auf vergleichbare Anwendungen übertragbar sind. Die systematische, umfassende und kontinuierliche informationstechnische Integration biologischer Systeme in industrielle Wertschöpfungsketten bzw. Produkten im großen Umfang kann jedoch nur gelingen, wenn die Schnittstellen zwischen Biologie und Technik klar definiert sind.

Zur Integration von technischen und informationstechnischen Sub-Systemen in bestehende Produktionsanlagen und Produkten der Industrie ist es heutzutage üblich, definierte Schnittstellen zu standardisieren. So zeichnet sich die Industrie durch einen hohen Grad an Normen und Richtlinien aus (VDI-Richtlinien, DIN-/EN-/ISO-Normen etc.). In herkömmlichen Systemen stellt beispielsweise der Universal Serial Bus (USB) eine weitverbreitete Schnittstelle zwischen informationstechnischem und technischem System dar.

Angelehnt an die Analogie eines USB-Sticks, haben wir eine Zelle als Datenspeicher und Computing Element betrachtet und Technologien recherchiert, die für die Umsetzung eines solchen Systems relevant sind. Der Hauptfokus lag dabei auf Technologien zur Realisierung der Biologie-Technologie-Schnittstellen. In Anlehnung an einen USB-C Port haben wir unsere Schnittstelle USB-Cell getauft. Wie diese Schnittstelle aussieht, welche Kernfunktionen sie haben muss, erfahren Sie im nächsten Post am 29. Juni.

Mit kleinen Schritten zum großen Ziel

Leselinks

Im Text verwendete Links & Quellen:

• Biologische Transformation und BIOTRAIN-Studie
• nICLAS – new Innovation Center for Laboratory Automation Stuttgart
• Wenn Maschinen riechen könnten … (Scouting-Projekt)
• Der KONIKORE Biosensor zur Geruchserkennung von Koniku
• Airbus successfully tests automated aviation security technology

Im Text verwendete Publikationen:

• Miehe,; Horbelt, J.; Baumgarten, Y.; Bauernhansl, T., Basic considerations for a digital twin of biointelligent systems: Applying technical design patterns to biological systems, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, Volume 31, 2020, Pages 548-560, https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2020.08.006.
• Full, J.; Baumgarten, Y.; Delbrück, L.; Sauer, A.; Miehe, R., Market Perspectives and Future Fields of Application of Odor Detection Biosensors within the Biological Transformation—A Systematic Analysis, Biosensors, Volume 11, 2021, Pages 93-118. https://doi.org/10.3390/bios11030093

Weiterführende Literatur und Links:

• Miehe, R.; Fischer, E.; Berndt, D.; Herzog, A.; Horbelt, J.; Full, J.; Bauernhans,l T., Schenk, M., Enabling bidirectional real time interaction between biological and technical systems: Structural basics of a control oriented modeling of biology-technology-interfaces, Procedia CIRP, Volume 81, 2019, Pages 63-68, ISSN 2212-8271, https://doi.org/10.1016/j.procir.2019.03.012.
• Molecular digital data storage using DNA
• Lebende Zellen als Datenspeicher
• Festplatten aus DNA speichern mehr als jeder Chip