Wenn Elektronik sich wie Mikroorganismen benimmt
Mikrozellen sollen sich selbst zusammensetzen und chemische Reaktionen dirigieren
Der erste Platz in einer hochkompetitiven EU-Ausschreibung zum Thema „Unconventional Computing“ ging an das Kooperationsprojekt „MICREAgents“ unter Federführung von RUB-Professor John McCaskill von der Fakultät für Chemie und Biochemie. Die Forscher wollen autonome elektronische Mikroreagenzien entwickeln, die kaum größer als lebende Zellen sind und sich selbst zusammensetzen. Die intelligenten Mikrozellen werden in wässrige Lösungen gegeben, wo sie chemische und elektronische Information austauschen, um gemeinsam komplexe chemische Reaktionen oder Analysen auszuführen – ganz nach dem Motto „berechnen gleich konstruieren“. Die Technik könnte zum Beispiel in der „Point-of-Care“-Diagnostik, etwa für medizinische Schnelltests, oder zur Synthese von Nanopartikeln eingesetzt werden. Die EU fördert das Forschungsvorhaben im FP7-Programm mit 3,4 Millionen Euro für drei Jahre. Vier Forschergruppen der RUB kooperieren mit Wissenschaftlern von fünf anderen europäischen Universitäten sowie aus Israel und Neuseeland.
MICREAgent lablets: Die intelligenten künstlichen Zellen sind mit autonomer Elektronik ausgestattet. Sie setzen sich selbst zusammen, um als Paare („gemlabs“ oder „Zwillings-lablets“) mikroskopische chemische Reaktoren zu bilden. Sie können dann Information und Chemikalien miteinander oder an einer dafür vorgesehenen Andockoberfläche austauschen.
© John McCaskill
Mikro-„Agenten“, die sich selbst zusammensetzen und kommunizieren
Ziel des Projekts ist es, programmierbare elektronische Chemie auf der Mikroskala zu schaffen. Dafür stellen die Forscher sogenannte „lablets“ her, Einheiten mit elektronischen Schaltkreisen auf 3D-Mikrochips, die sich zu MICREAgents (Microscopic Chemically Reactive Electronic Agents) zusammensetzen. Die lablets haben einen Durchmesser von weniger als 100 µm und finden sich selbstständig zu Paaren oder größeren Gruppen zusammen, um dynamische Reaktionskammern zu bilden. Mit ihrer Elektronik kontrollieren sie chemische Prozesse in ihrer unmittelbaren Umgebung, ähnlich wie die genetische Information in Zellen die lokalen chemischen Vorgänge kontrolliert: Sie können Chemikalien selektiv konzentrieren, verarbeiten und wieder in die Lösung abgeben. Der paarweise Zusammenschluss ist reversibel; er erlaubt, Informationen von einem lablet zum anderen zu transferieren.
Elektronische Signale in chemische Prozesse übersetzen
Die lablets sollen Transistoren, Superkondensatoren, Energiewandler und Sensoren enthalten sowie Aktuatoren für die lablet-Trennung und den Chemikalienaustausch. Diese Ausstattung erlaubt es ihnen, elektronische Signale in chemische Konstruktionsprozesse zu übersetzen und die Ergebnisse der Prozesse aufzuzeichnen. Die Chemikalien sind also nicht in einem Reaktor, der die Verarbeitung von außen steuert. Stattdessen werden die intelligenten MICREAgents in die Mixtur aus Chemikalien gegossen und organisieren die chemischen Reaktionen aus dem Inneren heraus.
Berechnungen sind mit Konstruktionsprozessen verwoben
Die intelligenten Mikroreagenzien können zum Beispiel für die Vervielfältigung von Molekülen programmiert werden, oder für andere chemische Prozesse, die aus komplexen Gemischen Chemikalien konzentrieren oder aufreinigen. Sie können Reaktionen in Kaskaden durchführen, detektieren, wann Reaktionen abgeschlossen sind, Produkte transportieren und an bestimmten Orten absetzen. Es handelt sich um einen neuen Weg, Berechnungen und Konstruktion zu verknüpfen. MICREAgents setzen sich nicht nur selbst zusammen, sie sind auch fähig zur Evolution. Damit gehen sie sogar noch über John von Neumanns universelle Konstruktionsmaschine hinaus, die komplexere Maschinen als sich selbst herstellen sollte. Obwohl die nanostrukturierten Einheiten schon bald in der Lage sein werden, ihre chemische und elektronische Information zu replizieren, besteht nicht die Gefahr, dass sie sich unkontrolliert in der Umwelt ausbreiten. Denn ihre Funktion ist abhängig von einem durch uns hergestellten komplexen elektronischen Substrat.
Projektpartner aus der RUB
Prof. Dr. John S. McCaskill (Microsystems Chemistry and Biological Information Technology) arbeitet zusammen mit Prof. Dr. Günter von Kiedrowski (Bioorganische Chemie), Prof. Dr. Jürgen Oehm (Analoge Integrierte Schaltungen) und Dr. Pierre Mayr (Integrierte Systeme). Die Gruppen von Prof. McCaskill und Prof. von Kiedrowski haben schon früher in EU-Projekten kooperiert, um künstliche Zellen zu erforschen. „ECCell“, das im Februar 2012 auslief, legte die Basis für elektrochemische Zellen. In diesem Projekt umgab die Elektronik die Chemie; in MICREAgents drehen die Forscher dieses Verhältnis um: Autonome elektronische Teilchen berechnen chemische Reaktionen.
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