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Die elektrische Blaupause des Lebens: Dr. Michael Levins Arbeit über Bioelektrizität

blaupauseDie Forschungsreise des Biologen Dr. Michael Levin begann mit einer einfachen Frage: Woher „wissen“ Zellen, was sie tun sollen? Die Genetik alleine kann weder erklären, wie sich eine befruchtete Eizelle bei der Embryogenese zu einem präzise organisierten Körper zusammensetzt, noch wie Salamander und Plattwürmer verloren gegangene Gliedmaßen ersetzen. Levin folgte der Spur der Bioelektrizität: Jede Zelle verfügt über ein Ruhemembranpotenzial, eine Spannungsdifferenz zwischen den Membranen, die durch das Öffnen und Schließen der Ionenkanäle beeinflusst wird. Dann begann Levin, diese Potenziale zu manipulieren …

Mehr als nur der genetische Code

Seit Jahrhunderten versuchen Wissenschaftler, die vielen Geheimnisse des Lebens zu entschlüsseln – wie sich eine einzelne Zelle in einen komplexen Organismus verwandelt, wie einem Salamander eine verlorene Gliedmaße nachwächst oder warum sich Krebs der natürlichen Ordnung des Körpers widersetzt.

Die vorherrschende Sichtweise hat sich lange Zeit auf die Genetik konzentriert: Die DNA ist die Bauanleitung, die Proteine sind die Maschinerie und die chemischen Signale sind die Botenstoffe.

Dieser Ansatz könnte jedoch unvollständig sein. Der wahre Dirigent der Komplexität des Lebens liegt möglicherweise nicht nur in den Molekülen, sondern in einem unsichtbaren, dynamischen Netzwerk elektrischer Signale, die durch jede Zelle pulsieren.

Dr. Michael Levin ist ein Biologe, dessen Arbeit das Verständnis des Lebens selbst neu definiert. Er ist angesehener Professor an der Tufts University, leitet dort das Allen Discovery Center und gehört dem Team des Zentrums für Regenerations- und Entwicklungsbiologie an. Seit Jahrzehnten beschäftigt sich Levin mit der Erforschung der Bioelek­trizität – den elektrischen Potenzialen und Ionenströmen, die Zellen zur Kommunikation und Koordinierung nutzen.

Seine Forschungen legen nahe, dass bioelektrische Signale als eine Art „Software“ für zelluläre Kollektive fungieren und die Entwicklung, Regeneration und sogar die Wahrnehmung in einer Weise steuern, die über die traditionelle Biochemie hinausgeht. Dieser Artikel befasst sich mit einigen von Levins paradigmenverändernden Entdeckungen und ihren Auswirkungen auf die regenerative Medizin, die synthetische Biologie und unsere Vorstellung von Intelligenz selbst.

Die Entstehung einer neuen Sichtweise

Levins Reise in die Bioelektrizität begann mit einer grundlegenden Frage: Woher „wissen“ Zellen, was sie tun sollen? Während der Embryogenese teilt sich die befruchtete Eizelle und differenziert sich zu einem präzise organisierten Körper. Tiere wie Salamander und Plattwürmer bilden verloren gegangene Gliedmaßen bei der Regeneration mit erstaunlicher Genauigkeit nach. Sogar bei Krebs scheinen die Zellen ihre kooperative Rolle aufzugeben und eigenwillige Pläne zu verfolgen. Die Genetik allein, so Levin, könne diese Orchestrierung nicht vollständig erklären. Die DNA liefert die Hardware – die Proteine und Enzyme –, aber irgendetwas anderes muss die Sinfonie leiten.

Dieses Etwas, so schlug Levin vor, ist die Bioelektrizität. Alle Zellen, nicht nur die Neuronen, verfügen über ein Ruhemembranpotenzial, eine Spannungsdifferenz zwischen ihren Membranen, die durch die Bewegung von Ionen wie Natrium, Kalium und Calcium durch Kanäle und Pumpen entsteht. Im Nervensystem sorgen diese Potenziale für eine schnelle Kommunikation.

Zweikopf

Levin kam jedoch zu der Erkenntnis, dass auch Zellen außerhalb des Nervensystems – Haut, Muskeln und sogar embryonale Zellen – die Bioelektrizität nutzen, um miteinander zu „sprechen“ und Netzwerke zu bilden, die Informationen über Form, Position und Zweck speichern und verarbeiten.

Diese Idee war nicht ganz neu. Im 18. Jahrhundert brachte Luigi Galvani bekanntlich Froschschenkel mit elektrischen Funken zum Zucken und deutete damit die „tierische Elektrizität“ an. Später spekulierten Wissenschaftler wie Harold Saxton Burr, dass bioelek­trische Felder die Entwicklung steuern. Doch Levin hat dieses Konzept mit molekularen Hilfsmitteln, Berechnungsmodellen und einer kühnen Vision in die Moderne gebracht: Bioelektrizität ist nicht nur ein Nebenprodukt des Lebens – sie ist der entscheidende Regulator.

Entdeckung 1: Bioelektrizität als Software der Morphogenese

Levins frühe Arbeiten konzen­trierten sich auf die Morphogenese – ein Prozess, durch den Organismen ihre Form entwickeln. In einer bahnbrechenden Studie mit Froschembryonen untersuchte er, wie bioelektrische Signale die Links-Rechts-Asymmetrie beeinflussen, sprich, die gleichmäßige Anordnung von Organen, beispielsweise des Herzens auf der linken Seite. Er fand heraus, dass Ionenkanäle und -pumpen in frühen Blastomeren Spannungsgradienten erzeugen, die den Fluss von Signalmolekülen wie Serotonin steuern. Wenn man diese Gradienten mit Medikamenten oder genetischen Verfahren manipuliert, kann man den Bauplan des Körpers umkehren und spiegelbildliche Embryonen mit Herzen auf der rechten Seite erzeugen.

Dies war eine Enthüllung: Bioelektrische Zustände konnten genetische Vorgaben außer Kraft setzen und als übergeordnetes Kontrollsystem fungieren. In späteren Experimenten mit Planarien – Plattwürmern, die für ihre Regenerationsfähigkeit bekannt sind – ging Levins Team noch einen Schritt weiter. Wenn eine Planarie in Stücke geschnitten wird, regeneriert jedes Fragment zu einem kompletten Wurm, einschließlich des Kopfes. Durch Veränderung der bioelektrischen Potenziale dieser Fragmente mithilfe von Ionenkanalblockern erzeugte Levins Labor zweiköpfige Würmer oder Würmer ganz ohne Kopf. Bemerkenswerterweise blieb diese veränderte Anatomie in den nachfolgenden Regenerationsrunden auch ohne weitere Eingriffe erhalten. Das bioelektrische Signal hatte das „Gedächtnis“ des Wurmes für seinen Körperplan umprogrammiert.

Levin vergleicht dies mit der Software eines Computers. Die Gene sind die Hardware, die vorgeben, welche Proteine eine Zelle herstellen kann, aber die Bioelektrizität ist das Programm, das den Zellen sagt, wie sie diese Hardware nutzen sollen, um komplexe Strukturen aufzubauen und zu erhalten. Diese Entdeckung stellt die genzentrierte Sichtweise der Biologie infrage und deutet darauf hin, dass die Manipulation der Bioelektrizität eine neue Möglichkeit bieten könnte, Entwicklung und Regeneration zu steuern.

Entdeckung 2: Regeneration und der bioelektrische Code

Die vielleicht verblüffendste Arbeit von Levin betrifft die Regeneration. Der Mensch kann eine Schnittwunde heilen, aber das Nachwachsen einer Gliedmaße bleibt Science-Fiction. Doch viele Tiere – wie Salamander, Zebrafische und Planarien – tun dies mühelos. Levin stellte die Hypothese auf, dass die Bioelektrizität der Schlüssel dazu ist.

In Versuchen mit Fröschen zeigte sein Team, dass die Regeneration nicht an ein bestimmtes Gen oder Protein gebunden ist, sondern an einen bioelektrischen Zustand. Normalerweise regenerieren erwachsene Frösche keine Gliedmaßen, sondern bilden nach einer Amputation nur eine Gewebespitze aus. Durch den Einsatz von Medikamenten, die die Membranpotenziale an der Wundstelle hyperpolarisieren (negativer machen), löste Levins Labor das Wachstum paddelartiger Strukturen mit Knochen, Nerven und Muskeln aus – Schritte auf dem Weg zu einer vollständigen Gliedmaße. Noch bemerkenswerter ist, dass sie dies ohne Veränderung der DNA der Frösche erreichten, sondern nur, indem sie einen Cocktail vorhandener Ionenkanalmedikamente einsetzten.

Diese Erkenntnis hat tiefgreifende Auswirkungen. Wenn es sich bei der Regeneration um ein bioelektrisches Programm handelt, könnte es bei allen Tieren, auch beim Menschen, latent vorhanden sein und darauf warten, aktiviert zu werden. Levins Team hat diesen Ansatz weiterverfolgt, indem es bei erwachsenen Fröschen eine partielle Regeneration der Beine herbeiführte und ähnliche Effekte bei Säugetieren untersuchte. Die Idee ist verlockend: Könnten wir eines Tages den bioelektrischen Code „verändern“, um menschliche Gliedmaßen oder Organe nachwachsen zu lassen?

Entdeckung 3: Krebs als bioelektrische Fehlkommunikation

Levins Arbeit erstreckt sich über Entwicklung und Regeneration hinaus auf Krebs, den er als Störung der zellulären Zusammenarbeit betrachtet. Gesunde Zellen halten bioelektrische Zustände aufrecht, die mit ihrer Rolle im Körper übereinstimmen – polarisierte (stark negative) Potenziale kennzeichnen oft stabile, differenzierte Zellen. Krebs­zellen hingegen neigen dazu, depolarisiert (weniger negativ) zu sein, verlieren ihre Verbindung zu den kollektiven Zielen des Gewebes und verfallen in einen egoistischen, wuchernden Zustand.

In Experimenten setzte Levins Team bioelektrische Manipulationen ein, um krebsartige Zellen zu „normalisieren“. Durch künstliche Polarisierung ihrer Membranpotenziale konnten sie die Tumorbildung bei Fröschen unterdrücken und sogar einige krebsartige Merkmale in Zellkulturen umkehren. Dies deutet darauf hin, dass Krebs nicht nur eine genetische, sondern auch eine bioelektrische Krankheit ist – ein Versagen des elektrischen Netzwerks des Körpers, das die Zellen in Formation hält.

Diese Sichtweise eröffnet neue therapeutische Möglichkeiten. Anstatt auf spezifische Mutationen abzuzielen (die bei verschiedenen Krebsarten sehr unterschiedlich sind), könnte es möglich sein, die bioelektrische Harmonie des Gewebes wiederherzustellen und die abtrünnigen Zellen zur Zusammenarbeit zu bewegen. Dies ist eine radikale Abkehr von der kriegerischen Rhetorik des „Tötens“ von Krebs hin zu einer ganzheitlicheren Vision der Umprogrammierung von Krebs.

Entdeckung 4: Xenobots und die Grenzen der synthetischen Biologie

Levins futuristischster Beitrag ist die Entwicklung von Xenobots – winzigen, lebenden Maschinen, die aus Froschhautzellen hergestellt werden. In Zusammenarbeit mit Informatikern setzte sein Team KI ein, um Zellkonfigurationen zu entwerfen, und formte sie dann im Labor. Diese Xenobots, die nur einen Millimeter groß sind, können sich bewegen, sich selbst reparieren und sogar Partikel „hüten“ – und das alles ohne ein Nervensystem. Ihr Verhalten beruht auf den bioelek­trischen Interaktionen ihrer Zellen, die durch Levins Manipulation von Ionenkanälen gesteuert werden.

Xenobots verwischen die Grenze zwischen natürlichem und künstlichem Leben. Sie sind keine Organismen im klassischen Sinne, weisen aber lebensähnliche Eigenschaften auf. Levin sieht in ihnen einen Machbarkeitsnachweis für das Bioengineering: Wenn wir den bioelektrischen Code knacken, könnten wir lebende Systeme für Aufgaben wie die Verabreichung von Medikamenten, die Säuberung der Umwelt oder die Reparatur von Gewebe entwickeln.

Diese Arbeit wirft aber auch philosophische Fragen auf: Wenn Bioelektrizität eine solche Komplexität hervorbringt, wo beginnt und wo endet dann das „Leben“?

Entdeckung 5: Bioelektrizität und die Wurzeln der Kognition

Levins ehrgeizigste Behauptung ist, dass die Bioelektrizität nicht nur der Anatomie, sondern auch der Intelligenz zugrunde liegt. Er argumentiert, dass alle Zellen – nicht nur Neuronen – bioelektrische Netzwerke bilden, die zu Berechnungen und zur Speicherung fähig sind. Bei Planarien behalten zweiköpfige Würmer ihre veränderte Form bei, weil das bioelektrische Muster wie ein Speicher wirkt, der im gesamten Gewebe hinterlegt ist. In Embryonen leiten Spannungsgradienten die Zellen zu kollektiven Zielen an, ähnlich wie ein primitiver Verstand.

Diese „grundlegende Wahrnehmung“ stellt die gehirnzentrierte Sichtweise der Intelligenz infrage. Levin schlägt vor, dass der Körper selbst ein kognitives System ist, mit Bioelektrizität als Medium. Neuronen sind seiner Ansicht nach nur eine spezialisierte Version einer universellen zellulären Eigenschaft. Diese Idee passt zu seinem umfassenderen Rahmenwerk „Technological Approach to Mind Everywhere“ (TAME), in dem die Intelligenz von einzelnen Zellen über Organismen bis hin zu Schwärmen reicht, die alle durch bioelektrische Verarbeitung miteinander verbunden sind.

Sollte dies zutreffen, würde dies die Evolution, die Entwicklung und sogar die künstliche Intelligenz neu definieren. Es deutet auch eine verlockende Möglichkeit an: Durch die Interaktion mit bioelektrischen Netzwerken könnten wir die Wahrnehmung verbessern oder neurologische Schäden reparieren – nicht nur im Gehirn, sondern im gesamten Körper.

Die Werkzeuge der Veränderung

Levins Entdeckungen beruhen auf einer Reihe innovativer Instrumente. Fluoreszierende Farbstoffe machen bioelektrische Gradienten in lebendem Gewebe sichtbar. Pharmakologische Wirkstoffe – wie Ionenkanalblocker – verändern diese Gradienten mit Präzision. Durch gentechnische Eingriffe werden bestimmte Kanäle eingebracht oder unterdrückt, um ihre Rolle zu erforschen. Computermodelle simulieren, wie bioelektrische Muster die Ergebnisse beeinflussen, und schlagen so eine Brücke zwischen Theorie und Experiment. Zusammen bilden diese Methoden eine Pipe­line von der Grundlagenforschung bis hin zur Anwendung, was Levin als „Knacken des bioelektrischen Codes“ bezeichnet.

salamander

Die praktischen Erfolge seines Labors – wie die Anregung des Wachstums von Gliedmaßen oder die Erschaffung von Xenobots – demonstrieren die Stärke dieses Ansatzes. Doch Levins Vision ist größer: ein „anatomischer Übersetzer“, ein System, in das Wissenschaftler eine gewünschte Form (eine Gliedmaße, ein Organ) eingeben, und die Software gibt das bioelektrische Rezept aus, um sie zu bauen. Sein Vorhaben liegt wahrscheinlich noch in weiter Ferne, aber es ist ein Vorschlag, der sich auf seine jahrzehntelange Erfahrung stützt.

Auswirkungen auf die Medizin und darüber hinaus

Das medizinische Potenzial von Levins Arbeit ist atemberaubend. Die regenerative Medizin könnte über Stammzellen und Zellträger hinaus zu bioelektrischen Therapien übergehen, die körper­eigene Reparaturprogramme auslösen.

Die Krebsbehandlung könnte sich von giftigen Medikamenten auf subtile elektrische Anpassungen verlagern. Geburtsdefekte, die oft auf einer gestörten Musterbildung beruhen, könnten durch eine Neueinstellung der bioelektrischen Signale korrigiert werden. Sogar die Alterung, die mit einer zellulären Depolarisation zusammenhängt, könnte durch bioelektrische Eingriffe überwunden werden.

Auch die synthetische Biologie kann davon profitieren. Xenobots sind nur der Anfang; stellen Sie sich biotechnisch hergestellte Organismen vor, die für bestimmte Aufgaben maßgeschneidert sind und deren Gestalt durch bioelektrisches Design geformt wurde. Und in den Neurowissenschaften könnten Levins Ideen zu neuen Behandlungsmethoden für Hirnverletzungen oder -krankheiten führen, indem sie das breitere kognitive Netzwerk des Körpers anzapfen.

Doch es bleiben Herausforderungen. Bioelektrizität ist komplex, und die Signale variieren je nach Zelltyp, Gewebe und Kontext. Die Übertragung von Laborergebnissen auf den Menschen wird Jahre der Weiterentwicklung erfordern. Ethische Fragen tauchen auf: Sollten wir das Leben so frei umprogrammieren? Welche Risiken birgt der verbreitete Einsatz bioelektrischer Werkzeuge im großen Stil?

Der philosophische Horizont

Indem er die Bioelektrizität als Brücke zwischen Materie und Geist versteht, lädt Levin uns ein, die Grenzen des Lebens neu zu überdenken. Wenn Zellen über elek­trische Felder arbeiten und sich erinnern, sind wir dann alle Kollektive von winzigen Intelligenzen? Wenn wir diese Felder konstruieren können, was bedeutet es dann, ein Mensch zu sein – oder Leben zu erschaffen?

Seine Ideen stehen im Einklang mit Denkern wie Karl Friston, dessen Prinzip der freien Energie besagt, dass lebende Systeme die Unsicherheit durch Vorhersage minimieren. Levins bioelektrische Netzwerke könnten die Basis für solche Vorhersagen sein, die sich von Zellen auf Organismen übertragen lassen. Diese Konvergenz von Biologie, Physik und Computern deutet auf eine einheitliche Theorie des Lebens hin, in deren Mittelpunkt die Bioelektrizität steht.

Erkenntnisse mit Folgen

In der Vergangenheit glaubten Wissenschaftler, dass die Bioelek­trizität der Genetik und Biochemie untergeordnet sei – eher ein nachgelagerter Effekt als ein Hauptfaktor.

Levin sagt jedoch, dass die Bioelektrizität andere Systeme nicht ersetzt, sondern sie integriert. Die Gene bilden die Ionenkanäle, die Biochemie moduliert ihre Aktivität und die Bioelektrizität koordiniert die Ergebnisse. Seine Ergebnisse, so betont er, sprechen für sich: von zweiköpfigen Würmern bis hin zu sich regenerierenden Fröschen – die Beweise sind greifbar.

Anm. der austral. Redaktion

Dieser Artikel wurde mithilfe von KI-Tools erstellt. Der Inhalt wurde von NEXUS-Mitarbeitern überprüft und bearbeitet.

Referenzen und weiterführende Literatur