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Biosensoren mit leuchtender Struktur: »Lebendes Tattoo« aus dem 3D-Drucker

Forscher vom MIT haben ein 3D-Druckverfahren entwickelt, das mit einer Tinte aus genetisch veränderten lebenden Zellen arbeitet. Auf der Haut angebracht, sollen die Biosensoren Schadstoffe registrieren und den pH-Wert messen.

Die gentechnisch veränderten Bakterien leuchten bei bestimmten Reizen auf. Bildquelle: © MIT

Die gentechnisch veränderten Bakterien leuchten bei bestimmten Reizen auf.

Xuanhe Zhao, Professor für Karrierenetwicklung an der Fakultät für Maschinebau, und sein Team sind nicht die ersten, die am 3D-Druck mit gentechnisch veränderten Zellen arbeiten. Es gab schon Versuche mit Säugetierzellen – mit wenig Erfolg. Die Zellen starben während des Druckprozesses ab. »Säugerzellen sind im Grunde Lipid-Doppelschicht-Ballons, sie sind zu schwach und zerbrechen leicht«, erklärt Hyunwoo Yuk, Doktoran am MIT. Stattdessen entschieden sich die Forscher vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) für einen härteren Zelltyp: Bakterien haben zähe Zellwände, die den relativ harten Druckbedingungen standhalten.

Darüber hinaus sind Bakterien mit den meisten Hydrogelen kompatibel, ohne die es die Zellen gar nicht durch den Drucker schaffen würden. Sie sind im Grunde  Filament und Lebensraum in einem. Das Hydrogel am MIT wurde – wie üblich – aus Wasser und kleinen Kunststoffanteilen zusammengemixt. Dazu kamen Nährstoffe für die Bakterien, die deren Überleben sichern. Die Herausforderung: Das bakterienhaltige Gel muss ausreichend flüssig sein, damit es die Zellen durch die Düse extrudiert und muss gleichzeitig mehrschichtige Strukturen ermöglichen, ohne dabei auseinander zufließen. Zhao und sein Team fanden laut eigener Aussage die perfekte Mischung: »Es war wie Zahnpasta ausdrücken«.

Von Tattoos bis lebenden Computern

Die Bakterien wurden so verändert, dass sie als Reaktion auf bestimmte Reize aufleuchten. In einem Laborversuch druckten die Forscher ein »lebendes Tattoo« – ein dünnes transparentes Pflaster, das mit lebenden Bakterienzellen in Form eines Baumes bemustert ist. Jeder Zweig des Baums ist dabei mit Zellen versehen, die für eine andere chemische oder molekulare Verbindung empfindlich sind. Haftet das Pflaster auf der Haut, so leuchten nur die Zweige auf, die auf den Stellen mit den entsprechenden »reizenden« Verbindungen haften.  

So schön die Struktur ist, um Optik geht es den Forschern nicht. Sie wollen die Technik für die Entwicklung tragbarer Sensoren oder interaktive Displays verwenden. Diese könnten mit lebenden Zellen bedruckt werden, die so entwickelt sind, dass sie Umweltchemikalien und Schadstoffe sowie Änderungen des pH-Werts und der Temperatur erfassen.

Die Wissenschaftler entwickelten auch Bakterien, die miteinander kommunizieren. Zum Beispiel programmierten sie einige Zellen so, dass diese nur aufleuchten, wenn sie ein bestimmtes Signal von einer anderen Zelle erhielten. Um die Kommunikation zu testen, druckten sie jeweils eine dünne »Eingangsschicht« mit signalbildenden Bakterien und Chemikalien und eine »Ausgangsschicht« mit signalempfangenden Bakterien und Chemikalien. Dabei fanden sie heraus, dass die Ausgangsfilamente nur aufleuchteten, wenn sie überlappten und Eingangssignale von den entsprechenden Bakterien erhielten.

»Wir könnten so lebende Computer drucken, die ähnlich kommunizieren wie Transistoren oder Mikrochips«, sagt Yuk. Möglich seien auch Arzneikapseln oder chirurgische Implantate. Aber das ist noch Zukunft, erstmal konzentrieren sich die Wissenschaftler auf Anwendungen, die sie in kurzer Zeit realisieren können. So arbeiten sie unter anderem an maßgeschneiderten Sensoren in Form von flexiblen Patches oder Aufklebern, die verschiedene chemische und molekulare Verbindungen erkennen können.

 

 

Baumtattoo aus dem Drucker: Jeder Ast reagiert auf eine andere Chemikalie. Bildquelle: © MIT

Baumtattoo aus dem Drucker: Jeder Ast reagiert auf eine andere Chemikalie.