ETH-Studierende haben auch dieses Jahr erfolgreich am internationalen Studentenwettbewerb iGEM zum Thema synthetische Biologie (1) (2) teilgenommen. Die jungen Forscherinnen und Forscher haben im Rahmen einer Projektarbeit, die von der ETH-Schulleitung und der EU mitfinanziert wurde, Bakterien so programmiert, dass sie einfache Additionen ausführen können. Mit der Auszeichnung für das beste Bauteil konnte die Gruppe an den Erfolg des letztjährigen Teams anknüpfen, das einen Zähler aus DNA-Sequenzen entwickelt hatte. (3)

iGEM – die Abkürzung steht für The international Genetically Engineered Machine competition – wurde dieses Jahr bereits zum dritten Mal durchgeführt. Die teilnehmenden Teams entwickeln dabei ein selbst gewähltes biologisches Bauteil. Höhere Zellen oder Mikroorganismen werden mit Hilfe von klar spezifizierten Komponenten nach ingenieurmässigen Prinzipien so umprogrammiert, dass sie die geforderten Aufgaben erfüllen können.

Das ETH-Team, bestehend aus acht Studentinnen und Studenten der Departemente BIOL, IFTK, ITET und CHAB sowie einem Studenten der Universität Zürich, entschied sich, einen sogenannten Half-Adder zu entwickeln. Eine solche Einheit besteht aus zwei logischen Schaltungen und kann zwei Eingangssignale mit den Werten 1 oder 0 zusammenzählen. Mit einem biologischen Half-Adder ist also der erste Schritt hin zu einer Rechenmaschine aus Bakterien gemacht.

Die Studenten entwickelten zunächst mehrere alternative Baupläne für einen solchen Half-Adder, fanden durch Simulationsstudien ein geeignetes Design und programmierten anschliessend mit den vorgefertigten Bauteilen die Bakterien um. Die veränderten Organismen können zwei unterschiedliche Eingangssignale verarbeiten. Setzt man sie entweder einer bestimmten chemischen Substanz oder einfallendem Licht aus, so produzieren sie ein rotes Signal. Werden sie beiden Signalen gleichzeitig ausgesetzt, dann addieren sie die Eingangswerte und erzeugen ein grünes Signal.

"Wenn man bedenkt, wie viel Zeit den Studierenden zur Verfügung stand, dann können sie mit dem Resultat wirklich zufrieden sein", erklärt ETH-Professor Jörg Stelling vom Institut für Computational Science, der die Studierenden mitbetreut hat. Und sein Kollege Sven Panke vom Institut für Verfahrenstechnik ergänzt: "Das Wichtigste an diesem Wettbewerb ist, dass die Studierenden früh lernen, sich mit den Denkweisen anderer Disziplinen auseinander zu setzen: Die Ingenieure lernen etwas über biologische Systeme, die Biologen, wie Ingenieure Probleme anpacken."

Das erfolgreiche ETH-Team beim Schlusswettbewerb am MIT

So funktioniert der Bakterien-Rechner: Je nach dem, ob die Bakterien ein oder zwei Eingangssignale erhalten, produzieren sie ein anderes Farbsignal.

Tatsächlich beurteilen die Studierenden gerade diese fächerübergreifende Zusammenarbeit als besonders fruchtbar. "Ich habe bei diesem Projekt mehr über technische Produktentwicklung gelernt als im Rahmen meines Elektrotechnikstudiums", meint etwa Arthur Korn, der im Team mitgearbeitet hat. Als Bereicherung erlebte er auch die Schlussveranstaltung, die Anfang November am MIT stattfand. "Wir konnten unsere Arbeit etablierten Forschern vorstellen und mit diesen und den anderen Teams über unsere Ideen diskutieren."

Die Entwicklung des Wettbewerbs widerspiegelt die rasante Entwicklung der synthetischen Biologie. Nahmen im Jahr 2004 gerade mal fünf US-amerikanische Hochschulen teil, waren es im letzten Jahr bereits 13 Hochschulen, darunter auch zwei europäische Universitäten. Und dieses Jahr traten nun 35 Hochschulen zum Wettbewerb an, darunter sechs Teams aus Europa, je zwei aus Lateinamerika und Japan, drei aus Kanada und eines aus Indien.