Synthetik-Biologe Tal Danino manipuliert Mikroorganismen in seinem Labor, um auffällige, bunte Muster zu erzeugen. Hier ist ein Blick auf das Verfahren, mit dem er „Oh, igitt“ in „Oh, wow“ verwandelt.

Der synthetische Biologe Tal Danino wäscht sich ständig die Hände. Das ist eines der Berufsrisiken, wenn man den ganzen Tag mit Bakterien im Labor für synthetische biologische Systeme arbeitet, das er an der Columbia University in New York City leitet. Danino, ein TED-Stipendiat, verbringt die meiste Zeit damit, die einzigartigen Eigenschaften von Bakterien zu nutzen – dieselben Eigenschaften, die sie für den Menschen so gefährlich machen können – und sie in wirksame Krebsbekämpfer zu verwandeln. Aber wenn er Bakterien nicht programmiert, um Krebs zu bekämpfen, programmiert er sie, um Kunst zu machen, zum Teil, um schwierige wissenschaftliche Prinzipien zugänglicher zu machen. „Es ist schön, die bildende Kunst zu nutzen, um die Wissenschaft zu vermitteln“, sagt er, „und das liegt daran, dass Kunst wirklich die Grenzen der Sprache und auch des Wissens überschreitet.“ Zu Daninos jüngsten kreativen Unternehmungen gehören eine feministische Installation von Bakterienkulturen aus den Körpern von 100 Frauen (für die er mit der Konzeptkünstlerin Anicka Yi zusammenarbeitete) sowie eine Reihe von Keramikschalen, die von natürlich vorkommenden Bakterienmustern inspiriert sind (eine Zusammenarbeit mit dem Künstler und Fotografen Vik Muniz). Für sein neuestes Projekt, Microuniverse, produzierte er eine Reihe schillernder, abstrakter Bilder, die von verschiedenen Bakterienarten geschaffen wurden, die jeweils unter unterschiedlichen Bedingungen und über unterschiedlich lange Zeiträume gezüchtet wurden. „Bei dem Projekt geht es darum, dieses unsichtbare Universum zu sehen, das wirklich klein ist und uns jeden Tag umgibt“, sagt er. Hier beschreibt er einige seiner seltsam schönen Projekte.

Die faszinierende Ästhetik der Bakterien

Täglich beobachtet Danino die komplizierten Muster, die Bakterien in Dutzenden von Petrischalen in seinem Labor bilden. Während ihre Zellen wachsen, sich teilen und miteinander kommunizieren, organisieren sie sich selbst in Kolonien, um ihre Überlebenschancen zu maximieren. Die Muster, die sie bilden, werden sowohl durch ihre genetische Ausstattung als auch durch ihre Umgebung bestimmt. Danino und sein Team wählten Bakterien aus, von denen bekannt ist, dass sie bestimmte Muster erzeugen – E. coli beispielsweise wächst von Natur aus in Form eines Fraktals, während Proteus mirabilis in Form konzentrischer Ringe wächst – sowie interessant aussehende Bakterien aus Bodenproben, die er in seinem eigenen Garten entnommen hatte, und begannen damit, mit der Steuerung ihrer Wachstumsmuster zu experimentieren. Letztendlich hofft er, dass, wenn sie besser verstehen könnten, wie die Natur das Verhalten und die Muster von Bakterien formt, dies wiederum ihre Arbeit bei der Entwicklung von Bakterien zur Krebsbekämpfung inspirieren könnte.

Ändere die Umgebung, ändere das Design

Indem er die Bedingungen – wie die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit – unter denen die Bakterien gezüchtet werden, veränderte, stellte Danino fest, dass er sie so manipulieren konnte, dass sie bestimmte Muster entwickelten. Zum Beispiel liegt die optimale Temperatur für das Wachstum vieler Bakterien bei 37 Grad Celsius, was, wenig überraschend, der Temperatur des menschlichen Körpers entspricht. Wenn es wärmer oder kälter als 37 Grad ist, verlangsamt sich das Bakterienwachstum einfach. Die Luftfeuchtigkeit wirkt sich auf andere Weise auf die Bakterien aus: Je trockener die Umgebung ist, desto eher schließen sich die Bakterien zusammen, um Feuchtigkeit zu sparen. Auch eine Änderung der Konzentration des Agargels – des Wachstumsmediums für Bakterien – auf der Petrischale wirkt sich auf die Musterbildung aus, sagt Danino. Je weicher das Gel ist, desto schneller breiten sich die Bakterien über eine größere Fläche aus.

Abwarten und beobachten

Sobald Danino die Anfangsbedingungen festgelegt hat, lässt er die Bakterien wachsen und wartet die Ergebnisse ab. Für Microuniverse hat er etwa 20 verschiedene Bakterienarten verwendet und sie zwischen zwei Tagen und zwei Monaten wachsen lassen. Unabhängig von den Bedingungen, unter denen sie gezüchtet werden, „hat jedes Bakterium eine natürliche Vorliebe für eine bestimmte Art von Muster“, sagt er. „Und das hat mit den Besonderheiten zu tun, wie Bakterien schwimmen und wie sie miteinander kommunizieren. Jedes Bakterium hat seine eigene Persönlichkeit, wenn man so will.“

Kolonien von Farben

Wissenschaftler verwenden üblicherweise chemische Farbstoffe, um Informationen über die Struktur eines Bakteriums zu erhalten. Wenn sie z. B. Streptococcus pyogenes von E. coli unterscheiden wollen, färben sie eine Schale, um die Form der Zellen zu erkennen und sie visuell zu identifizieren. „Wissenschaftler sehen sich meist nur einfarbige Bilder an“, sagt Danino, „also haben wir das einfach übernommen.“ Zusätzlich zu den traditionellen wissenschaftlichen Farbstoffen experimentierte er auch mit Lebensmittelfarbe auf dem Agar sowie auf den Bakterien selbst. Er probierte auch verschiedene Farbkombinationen aus, um einen Farbverlaufseffekt zu erzielen, wie in diesem Bild oben.

Ein unsichtbares Universum enthüllen

„Jedes gerahmte Bild oder jede Petrischale ist eine eigene kleine Welt“, sagt Danino. „Diese Muster sehen aus wie etwas, das man in einer Schneeflocke sehen kann, oder etwas, das man unter Wasser sehen kann.“ Mit jeder Petrischale will das Projekt ein eigenes abstraktes Universum darstellen. „Ich fing an, diese Petrischalen zu sehen, und dachte: Wow, das sieht aus wie etwas, das man im Weltraum sehen würde.“ Daher auch der Name Microuniverse.

Der Prozess des molekularen Klonens

Daninos Kunstprojekte sind etwas, das er in seiner Freizeit macht. Seine Tage sind mit der Arbeit in der synthetischen Biologie ausgefüllt, einem relativ jungen wissenschaftlichen Gebiet, das im weitesten Sinne die Veränderung von lebenden Organismen beinhaltet, um ein gewünschtes Verhalten zu erreichen. In seinem Labor bearbeitet und programmiert Danino Bakterien mithilfe eines Verfahrens, das als molekulares Klonen bezeichnet wird. Nachdem er festgestellt hat, welche Gensequenzen eine bestimmte biologische Funktion in einer Bakterienart erzeugen, können er und sein Team diese Sequenzen isolieren, sie im Labor vervielfältigen und dann in die DNA der Bakterien einfügen, die diese Funktion aufweisen sollen. „Heutzutage kann man diese Sequenz online eingeben, und ein Unternehmen stellt sie synthetisch her und schickt sie einem in einem Röhrchen zu“, sagt Danino.

Ausnutzung des Krebsbekämpfungspotenzials

In jüngster Zeit haben Danino und sein Team Bakterien entwickelt – sie haben mit E.coli, einem E.coli-Probiotikum und Salmonellen gearbeitet – um Krebs zu erkennen und zu behandeln. Bemerkenswerterweise können Bakterien im Inneren von Tumoren wachsen, wo selbst das Immunsystem nicht hinkommt, und sie können auch so programmiert werden, dass sie verschiedene Toxine produzieren, die den Tod von Tumorzellen verursachen. Mit Hilfe des molekularen Klonens versucht Danino, Bakterien so zu programmieren, dass sie Tumore im Körper aufspüren und aufdecken, und dass sie, sobald sie sich in einem Tumor befinden, krebsbekämpfende Toxine freisetzen. „Es ist fast wie eine Art trojanisches Pferd“, erklärt er. „

Ein visuelles Tor zur Wissenschaft

Danino hofft, dass Projekte wie Microuniverse die Menschen dazu inspirieren, mehr über die komplexen mikrobiellen Welten um uns herum – und in uns – zu lernen und ihnen zu zeigen, dass Bakterien für positive Zwecke wie die Krebsbekämpfung eingesetzt werden können. „Es ist wirklich schwierig, den Menschen etwas über DNA, Proteine und molekulares Klonen beizubringen“, sagt er. „Aber ich glaube, wenn man ein Bild sieht, ist man unabhängig von seinem Hintergrund geneigt, mehr über die Wissenschaft zu lernen. Wie geht es mit dem Projekt weiter? Danino hat sich mit dem Unternehmen Print All Over Me zusammengetan, um individuelle Kleidung auf der Grundlage der Bilder von Bakterien aus dem Microuniverse zu entwerfen (ein Teil des Erlöses wird der Krebsforschung zugute kommen). Er hofft auch, das Microuniverse, das im Laufe des Jahres 2017 am MIT ausgestellt wird, weiterhin auf Tournee zu schicken. Sein Labor arbeitet auch an der Aufnahme von Zeitraffervideos des Bakterienwachstums, was bedeutet, dass E. coli bald in einem Kino in Ihrer Nähe zu sehen sein könnte.

Alle Bilder: Soonhee Moon.