Mikroskopische „U-Boote“, die auf Missionen in komplexen Umgebungen oder sogar im Körper unterwegs sind – dieses futuristisch wirkende Konzept hat in den letzten Jahren immer mehr Gestalt angenommen: Wissenschaftler haben bereits durch verschiedene technische Ansätze kleine Roboter mit Antrieb und bestimmten Fähigkeiten konstruiert. Das Baumaterial für die Winzlinge waren dabei meist Metalle oder Kunststoffe und Magnetfelder sorgen oft für die Mobilität. Doch vor etwa einem Jahr präsentierte ein interdisziplinäres Entwicklerteam ein Konzept, das die Vorteile biologischer Baumaterialien und Systeme aufzeigte: Sie konstruierten millimetergroße Roboter aus lebendigen Zellgeweben des Froschs Xenopus laevis, die für erstaunliche Effekte sorgen konnten.
“In gewisser Weise sind sie ähnlich aufgebaut wie herkömmliche Mikro-Roboter. Nur verwenden wir Zellen und Gewebe statt künstlicher Komponenten, um die Form herzustellen und ein vorhersehbares Verhalten zu erzeugen”, sagt Co-Autor Doug Blackiston von der Tufts University in Medford. Für die Herstellung der ersten Xenobots war allerdings aufwendige Puzzlearbeit unter dem Mikroskop nötig: Die Forscher bastelten die Winzlinge einzeln aus Hautgeweben zusammen und rüsteten sie mit schlagenden Herzzellen für den Antrieb aus. Wie sie nun berichten, ist ihr neues Konzept deutlich weniger aufwendig – dabei aber sogar noch effektiver: Die Xenobots 2.0 bauen sich selbstständig zusammen, benötigen keine Muskelzellen für die Bewegung und sind dennoch schneller und langlebiger als die „operativ“ zusammengebauten Vorgängermodelle.
Xenobots 2.0 machen sich selbst mobil
Für die Herstellung nutzen die Wissenschafter das natürliche Entwicklungspotenzial von Stammzellen. Bei dem neuen Verfahren werden diese Zellen Froschembryonen entnommen und unter dem Mikroskop in kleine Einheiten aufgeteilt, die sich dann in Nährmedium weiterentwickeln. Wie die Forscher berichten, formen sich die Stammzellgebilde dabei selbstständig zu kleinen Kugeln, in denen sich einige Zellen anschließend differenzieren. Erstaunlicherweise bilden sich auf der Oberfläche der Gebilde eigenständig sogenannte Zilien aus. Dabei handelt es sich um Geißel-artige Wimpern, die sich gerichtet bewegen. Bei Fröschen oder auch beim Menschen befinden sich Zilien normalerweise auf den Schleimhäuten, wie etwa in der Lunge, um Krankheitserreger und andere Fremdkörper zu beseitigen.
Auf der Oberfläche der kugelförmigen Xenobots sorgen sie hingegen für den Antrieb: Je nachdem, wie sich die Gebilde entwickelt haben, bewirken die Zilienstrukturen eine Rotation, in einigen Fällen aber auch eine gerichtete Fortbewegung des kleinen Zellhaufens. “Es zeigt sich eine bemerkenswerte Plastizität dieser zellulären Kollektive: Obwohl das Genom unverändert bleibt, kann eine rudimentäre neue Körperform entstehen, die sich vom Standard – in diesem Fall dem Froschkörper – deutlich unterscheidet”, sagt Co-Autor Michael Levin. Sein Kollege Blackiston ergänzt. “Aus Sicht der Biologie hilft uns dieser Ansatz auch zu verstehen, wie Zellen aufeinander reagieren, wenn sie während der Entwicklung miteinander interagieren, und wie wir diese Prozesse besser kontrollieren können.”
