Credit: MIT/Courtesy of the researchers – CC BY-NC-ND 3.0

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Living Sensors

Schon seit vielen Jahren, aber besonders in jüngerer Zeit gibt es Bemühungen, die darauf abzielen technische Sensorsysteme durch natürliche zu ergänzen oder zu ersetzen. Das diesen Überlegungen zugrunde liegende Konzept der Living Sensors basiert auf der Nutzbarmachung der natürlichen Sinnesleistungen von Tieren sowie der natürlichen Reiz-Reaktions-Mechanismen von Pflanzen und Bakterien, um neuartige Sensorsysteme zu entwickeln.

Dabei kann zwischen drei Interventionsgraden unterschieden werden. Durch geringe Intervention kann das natürliche Verhalten von Tieren beobachtet und analysiert werden, um dann mit Hilfe von Sensoren Abweichungen vom normalen Verhalten zu detektieren, was Aufschluss über mögliche Gefahren, wie z. B. Naturkatastrophen, liefert.

Ein neuer Ansatz in der Verhaltensanalyse ist es, das natürliche Verhalten von Meereslebewesen als Warnsystem vor Unterwasserfahrzeugen zu nutzen. Dabei sollen die Geräusche in einem Riff sowie die Bewegungen der Meereslebewesen kontinuierlich überwacht und analysiert werden. Abweichungen vom normalen Verhalten sollen Hinweise auf U-Boote oder unbemannte Unterwasserfahrzeuge geben.

Durch eine moderate Intervention wird der außerordentliche Geruchssinn der Tiere so trainiert, dass sie auf die Detektion von Gefahrstoffen, Suchtmitteln oder Krankheiten konditioniert werden.

Der Einsatz von Spürhunden zur Detektion von Explosivstoffen oder Suchtmitteln ist schon lange Alltag und Studien belegen, dass medizinische Detektionshunde in der Lage sind, Krankheiten wie Krebs oder Malaria zu erschnüffeln. Derzeit wird sogar untersucht, ob Hunde für den Nachweis von COVID-19-Erkrankten ausgebildet werden können. Ebenso werden Ratten schon seit vielen Jahren für die Detektion von Landminen oder bei der Untersuchung von Spuckproben auf Tuberkulosebakterien eingesetzt. Aber auch Insekten, insbesondere Bienen, wurden bereits erfolgreich auf die Detektion von Explosivstoffen, Suchtmitteln oder Krankheiten trainiert.

Eine starke Intervention liegt vor, wenn Bakterien und Pflanzen zielgerichtet programmiert werden, so dass sie in der Lage sind, bestimmte Schadstoffe zu detektieren. Dies erfolgt durch gentechnische Modifikationen, wobei die natürlichen Reiz-Reaktions-Mechanismen der Organismen, mit deren Hilfe sie auf Veränderungen in ihrer Umwelt reagieren, so umprogrammiert werden, dass sie als Gefahrendetektor fungieren.

Bakterien gentechnisch so umzuprogrammieren, dass sie als Sensor fungieren, ist heute relativ einfach. Die größere Herausforderung ist es, ihr Überleben und ihre Funktionalität auch außerhalb des Labors sicherzustellen und zu gewährleisten, dass die Zellen innerhalb des Materials verbleiben, damit die Biosicherheit bezüglich der Freisetzung gentechnisch modifizierter Organismen sichergestellt ist. Vom MIT wurde ein dehnbares, reißfestes Hydrogel-Elastomer-Hybrid entwickelt, in das lebende Escherichia-coli-Bakterien injiziert wurden, die genetisch so modifiziert waren, dass sie ein grün fluoreszierendes Protein produzieren, wenn sie in Kontakt mit bestimmten Chemikalien gerieten. Aus diesem lebenden Material wurden z. B. Handschuhe entwickelt, die für forensische Untersuchungen oder in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden könnten.

Um eine Pflanze als Gefahrendetektor nutzen zu können, sind umfangreiche Eingriffe in das Genmaterial der Pflanze erforderlich. Die Modellpflanze Arabidopsis thaliana wurde z. B. genetisch so verändert, dass sie in Anwesenheit von TNT den Blattfarbstoff Chlorophyll abbauen und entgrünen. Dieses modulare System ermöglicht das Design von Rezeptorproteinen, die auf verschiedenste Gefahrstoffmoleküle reagieren.

Eine andere, ganz neue Möglichkeit stellt das Einbringen von Nanopartikeln bzw. Nanostrukturen in das Pflanzengewebe dar, wobei nanobionische Pflanzen mit neuen Funktionalitäten entwickelt werden. So wurden in das Blattgewebe von Spinatpflanzen Kohlenstoffnanoröhrchen-Peptid-Komplexe manuell eingeschleust. Diese Komplexe reagieren auf nitroaromatische Verbindungen, die von Landminen an den Boden abgegeben und von den Pflanzen mit dem Grundwasser aufgenommen werden, und zeigen ihr Vorhandensein durch Lichtemission im nahen Infrarot-Bereich an, wenn sie mit einem Laser angestrahlt werden.

Living Sensors sind allgegenwärtig, reproduzieren sich selbst und erhalten sich selbst am Leben, wodurch sie kostengünstiger und energieunabhängig sind. Dabei wird jedoch außer Acht gelassen, dass nachgeschaltete Technologien, wie Sensoren, Datenübertragung, Bildverarbeitung und Auswertungsalgorithmen notwendig sind, um die Signale der Living Sensors überhaupt wahrnehmen und interpretieren zu können. Wie diese Überwachung und Auswertung realisiert werden kann, ist oft noch unklar. Weitere Hürden bei der Übertragung der im Labor oder Feldversuch gewonnenen Ergebnisse auf Realbedingungen sind die oft zu geringe Lebensdauer der Living Sensors (z. B. überleben Bakterien in dem Hydrogel-Elastomer nur wenige Tage), die teils zu lange Reaktionszeit (z. B. dauert das Entgrünen der Pflanzen zwei Stunden), die starke Wetterabhängigkeit der Organismen sowie der Umgang mit gentechnisch veränderten Organismen.

 

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