Der erste chemische Schaltkreis der Welt

Transistoren sind die Grundbausteine der Elektronik und man kann mit ihnen nahezu jede Berechnung durchführen. Schwedische Forscher erweitern das Prizip jetzt auf chemische Signalstoffe. Heraus kommt ein Computer, der die Sprache der Zelle spricht.

Lebewesen sind hochgezüchtete Systeme zur chemischen Informationsverarbeitung, mit denen wir bis heute nicht mithalten können. Man kann die Zelle im Grunde als kleinen Computer betrachten, der eine Vielzahl von Eingangssignalen von außen bekommt und aus diesen Daten eine Reihe Ausgangssignale in Form von Stoffwechselprodukten oder Verhalten produziert. Was dazwischen passiert ist bis heute bestenfalls bruchstückhaft bekannt, und entsprechend schwierig ist es für uns, selbst Systeme mit diesen Eigenschaften zu konstruieren.

Das liegt vor allem daran, dass die technische Informationsverarbeitung völlig anders funktioniert. Aber anders als man meinen sollte sind die beiden Strategien nicht völlig inkompatibel: Chemiker um Klas Tybrandt von der Universität Linköping arbeiten seit einer Weile an hybriden Bauelementen, die chemische Signalstoffe mit klassischer binärer Computertechnik verbinden. Das Grundelement elektronischer Schaltungen ist der Transistor, ein Schaltelement mit drei Polen, bei dem die Spannung in einem Pol den Stromfluss zwischen den beiden anderen Polen steuert. Beim chemischen Äquivalent, das die Schweden konstruiert haben, steuert ein Signalstoff den Durchfluss eines anderen – und chemische Signale tragen weitaus mehr Information als ein einzelnes elektronisches Bit.

Ein Transistor aus Membranen

Was in der Elektronik dotierte Halbleiter erledigen, leisten in den chemischen Transistoren der Schweden spezielle Membranen. Sie bestehen aus Polymeren, in denen geladene Gruppen gebunden sind, die zugehörigen Gegenionen mit entgegengesetzter Ladung sind dagegen frei beweglich. Die vielen stationären Ladungen schließen Ionen mit der gleichen Ladung aus dem Polymer aus, so dass nur Stoffe mit entgegengesetzter Ladung durch die Membran wandern können.

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Schematischer Aufbau und Funktionsprinzip des chemischen Transistors. Aus: Tybrandt et al., Nature Communications 10.1038/ncomms1869, 2012

Zwei Streifen eines solchen Polymers bilden Emitter und Kollektor, zwischen denen der gesteuerte Ionenstrom fließt. Sie sind allerdings durch eine Lücke getrennt, die mit dem neutralen Polymer Polyethylenglycol gefüllt ist. Durch das können die Ionen unter normalen Umständen nicht hindurch. Das PEG ist allerdings mit einer dritten Membran in Kontakt, die ebenfalls selektiv Ionen leitet – in diesem Fall aber solche mit entgegengesetzter Ladung.

Zellkultur-Fernsteuerung

Wenn diese Ionen aus der Basis in die Lücke gedrückt werden, können auch die Ionen aus Emitter und Kollektor dort eindringen und die Ladung ausgleichen – die Lücke wird leitfähig und ein Strom fließt durch den Transistor. Der Clou ist halt, dass dieser Transistor eben nicht nur ein Bit sendet – je nachdem welche Ionen man für die Schaltung verwendet, kommt noch die chemische oder physiologische Funktion als Signalstoff dazu. In der Praxis kann man das zum Beispiel benutzen, um einzelne Zellen gezielt zu manipulieren.

Dass das funktioniert haben Tybrandt und Kollegen in einem Modellsystem mit dem Neurotransmitter Acetylcholin (ACh) schon gezeigt. ACh liegt in wässriger Lösung teilweise protoniert vor und kann deswegen als Kationenstrom in so einem Transistor angesteuert werden. Als Steuerstrom fungierte eine Chloridlösung. Auf dem Kollektor haben die Forscher einfach eine gängige Neuroblastomzell-Linie angesiedelt, die in Gegenwart von ACh Calcium einströmen lässt. Die Calciumkonzentration in den Zellen zu beobachten ist wiederum sehr einfach mit fluoreszierenden Signalmolekülen möglich, die je nach Calciumgehalt leuchten oder eben nicht.

Der Sinn der Sache ist halt, dass man mit solchen Systemen Zellkulturen wesentlich präziser Steuern kann als bisher. Man baut am Boden einer Petrischale ein Gitter aus hunderten oder tausenden solcher Transistoren, durch die ein Neurotransmitter wie Acetylcholin fließt, sobald das Element angesteuert wird – damit könnte man in einer Zellkultur einzelne Zellen unabhängig voneinander manipulieren, ohne dafür auf komplizierte Mikropumpen angewiesen zu sein. Wirklich interessant wird es natürlich wenn man das nicht nur in Kultur machen kann, sondern im Körper, zum Beispiel mit einzelnen Nervenzellen oder Muskelfasern.

Aber das ist erst der Anfang. Seine große Bedeutung in der Elektronik hat der Transistor ja nicht durch diese vergleichsweise simple An-aus-Funktion, sondern durch das was passiert wenn man mehrere von ihnen zusammenschließt. Solche Bauteile aus mehreren Transistoren bezeichnet man als logische Gatter, weil sie aus zwei Eingangssignalen nach bestimmten Regeln ein Ausgangssignal[1] erzeugen – und derartige logische Operationen sind die Grundlage aller Berechnungen. Die logischen Gatter sind quasi die Atome aller Schaltkreise.

Ein biokompatibler Computer

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Eingabe- und Ausgabesignale des chemischen NAND-Gatters: Der Ausgabewert ist 1 wenn mindestens ein Eingangssignal Null ist. Aus: Tybrandt et al., Nature Communications 10.1038/ncomms1869, 2012

Für die logischen Operationen ist es auch völlig egal, wie die Transistoren genau funktionieren, deswegen kann man aus den chemischen Transistoren genauso komplexe Schaltkreise bauen wie man sie in modernen Computern findet – zumindest im Prinzip. So weit sind Tybrandt und Kollegen natürlich noch nicht, aber immerhin haben sie jetzt bis zu vier ihrer Transistoren zu einem logischen Gatter kombiniert. Mit dem NAND-Gatter haben sie auch gleich eines der wichtigsten in Angriff genommen. Es gibt zwar sieben verschiedene Gattertypen, aber man kann aus nur zweien alle von ihnen zusammenbasteln: NAND und NOR. Außerdem ist NAND das Gatter, für das man unbedingt einen Transistor braucht. Alle anderen Gatter kann man notfalls auch aus Dioden zusammenbauen.

Im Grunde hat man damit jetzt alle Teile zusammen, um chemische Signalmuster einzulesen, digital zu verarbeiten und anschließend ein komplexes chemisches Signal wieder auszugeben, und all das mit Bauteilen, die problemlos unter den Bedingungen in einer Zellkultur oder im Körper funktionieren. Angesichts der atemberaubenden Perspektiven solcher implantierbarer chemisch-digitaler Schaltkreise dürfte auch Science-Fiction-Autoren das Wasser im Munde zusammenlaufen. Glücklicherweise haben die noch eine ganze Weile Zeit, das Motiv der chemischen Schaltkreise literarisch auszuloten: Man kann zwar beliebig komplexe Schaltkreise bauen, allerdings sollte man schon ein Bisschen Zeit mitbringen: Das Gatter von Tybrandt und Kollegen braucht, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, derzeit noch deutlich über eine Minute.

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[1] Ausnahme: Das NOT-Gatter, das ein einzelnes Eingangssignal umkehrt.

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www.fischblog.com

Ich bin gelernter Chemielaborant und habe ab 1999 in diesem Beruf gearbeitet. Anschliessend habe ich an der Uni Hamburg Chemie studiert. Seit dem Abschluss Ende 2006 veröffentliche ich Beiträge in meinem Fischblog und verkaufe Artikel an andere Publikationen. Seit 2008 wohne ich im Raum Heidelberg und bin bei Spektrum der Wissenschaft für das Blogportal Scilogs verantwortlich. Daneben arbeite ich als freier Journalist und Redakteur unter anderem für die digitalen Angebote von Spektrum, veröffentliche auf verschiedenen Social-Media-Plattformen und experimentiere mit Mobile Reporting. Zu meiner Webseite

8 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Eine „Anwendung“ aus der Science Fiction Ecke dürfte es schon geben, nämlich die hybriden Zylonen aus der Neuauflage von Battlestar Galactica. Also die Jäger und vor allem die Basisschiffe fallen mir da als erste ein.

  2. Ohne den schönen post negativ bewerten zu wollen, einige Anmerkungen:

    Gatter, weil sie aus zwei Eingangssignalen nach bestimmten Regeln ein Ausgangssignal erzeugen

    ist nicht haltbar, mir wurde (damals™) beigebracht

    Ein Gatter ist in der technischen Informatik die Realisierung einer Booleschen Funktion, die Eingangssignale zu Ausgangssignalen verarbeiten kann. (wiki, gekürzt)

    also eine (m,n)-Relation mit m,ne1.

    man kann aus nur zweien alle von ihnen zusammenbasteln: NAND und NOR

    klingt als würden beide benötigt. Tatsächlich können mit einem der beiden Typen alle anderen nachgebaut werden.

    NAND das Gatter, für das man unbedingt einen Transistor braucht. Alle anderen Gatter kann man notfalls auch aus Dioden zusammenbauen.

    Weder NOR, X{N}OR noch ein Inverter sind (im üblichen Sinne mit Signal relativ zur gemeinsamen Masse) in DL realisierbar, da sie nichtinvertierend ist. Doch wenn ein NOR ginge, könnte daraus wieder ein NAND gebastelt werden und schwupps wäre ein T-loses NAND gezaubert.

    Auf dem 3pol-Transistor will ich gar nicht erst herumreiten 😉

    Um es nochmals zu verdeutlichen: Hier im blog lese ich ungemein gerne, was sich auch wegen solcher Anmerkungen nicht ändern wird…

  3. Nun ja,

    ‚können‘ kann ich von mir auch nicht behaupten – doch es ist einiges hängengeblieben aus der Zeit, da mir normales Elektronikbasteln zu kompliziert (insbesondere zu schwingfreudig) wurde und wegen erwachenden Interesses zum Binären (und langfristig zur Computerei) gewechselt wurde. Hat etwas gedauert, bis ich mich mit ICs angefreundet hatte, selbst die Standard-TTL 74xx waren ja anfangs eher sporadisch erhältlich 😉

    Ich glaub euch das jetzt mal.

    Das mußt Du nicht glauben, läßt sich mit ein wenig boolescher Agebra nachrechnen: NAND und NOR. Speziell diese Universalität war für mich Teenager ein Faszinosum – doch auch allgemein gibt es immer wieder mal ‚Rückfälle‘ in die Bastelphase…

  4. ooops, vergessen:

    Das ‚e‘ in ‚m,ne1‘ aus dem Kommentar oben sollte ein größer-gleich, also ein ‚e‘ sein. Hoffentlich ist Unicode beständiger als Einfügen aus der Zeichentabelle^^

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