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

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.

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

• Levin, M.: „Molecular bioelectricity in developmental biology: New tools and recent discoveries“ in BioEssays, 2014, 36(3):205–10
• Pezzulo, G. und Levin, M.: „Top-down models in biology: Explanation and control of complex living systems above the molecular level“ in Journal of the Royal Society Interface, 2016, 13(124):20160555
• Blackiston, D. et al.: „ The stability of memories during brain remodeling: A perspective The stability of memories during regeneration in planaria: Bioelectric signaling mediates long-term pattern memory“ in Communicative & Integrative Biology, August 2015, 8(5):e1073424.doi
• McLaughlin, K. A. und Levin, M.: „Bioelectric signaling in regeneration: Mechanisms of ionic controls of growth and form“ in Developmental Biology, 2018, 433(2):177–89
• Pai, V. P. et al.: „Endogenous bioelectric signaling networks mediate cancer initiation and progression“ in Frontiers in Oncology, 2018, 9(26):18235–50
• Kriegman, S. et al.: „A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms“ in Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, 117(4):1853–59
• Levin, M.: „Bioelectric signaling: Reprogramming cells to control anatomy and physiology“ in Wiley Interdisciplinary Reviews. Systems Biology and Medicine, 2021, 70:48–56
• Mathews, J. und Levin, M.: „The Technological Approach to Mind Everywhere (TAME): Toward a framework for bioelectric computation“ in Frontiers in Systems Neuroscience, 2023, 17:1023456
• Burr, H. S.: „Field properties of the developing frog’s egg“ in Proceedings of the National Academy of Sciences, 1941, 27(6):276–81