Landminen, die aus vergangenen Konflikten übrig geblieben sind oder noch bekämpft werden, stellen eine stille Bedrohung für Millionen Menschen auf der ganzen Welt dar. Mithilfe von Bakterien, die in ihrer Anwesenheit leuchten, können diese versteckten Gefahren eines Tages gefunden und sicher entfernt oder zerstört werden.
Forscher der Hebräischen Universität Jerusalem haben ein Jahrzehnt damit verbracht, lebende Landminensensoren mit E. coli-Bakterien zu entwickeln. In aktuellen Studien beschreiben sie ihre jüngsten Fortschritte. Durch den Einsatz von Gentechnik können sie jedes Bakterium in Gegenwart einer mit dem Sprengstoff verbundenen Chemikalie in „ein Miniaturglühwürmchen“ verwandeln, sagte Shimshon Belkin, der die Forschung leitende Mikrobiologe der Hebräischen Universität.
Im Jahr 2019 wurden laut der Internationalen Kampagne zum Verbot von Landminen mehr als 5.500 Menschen durch Landminen und explosive Kriegsrückstände getötet oder verletzt, und 80 Prozent davon waren Zivilisten. Besonders gefährlich sind Antipersonenminen, die nur wenige Zentimeter breit und leicht zu verbergen sind. Die Schätzungen für die weltweite Zahl vergrabener Landminen variieren, aber sie liegen bei bis zu 110 Millionen.
Viele Strategien wurden versucht, um Landminen zu lokalisieren, wie der Einsatz von Metalldetektoren und das Training von Spürhunden, darunter eine preisgekrönte Ratte, die dabei half, 71 Landminen zu finden, bevor sie in Rente ging. Jede Methode balanciert Nutzen mit Risiken und Kosten.
Die Idee, Bakterien neu zu verdrahten, um Landminen zu erkennen, stammt von Robert Burlage, damals im Oak Ridge National Laboratory in Tennessee. Mitte der 1990er Jahre arbeitete Dr. Burlage daran, Bakterien als Reaktion auf organische Abfälle und Quecksilber zum Leuchten zu bringen. Auf der Suche nach einer neuen Anwendung für diese Technik kam ihm die Idee, es mit Landminenchemikalien zu versuchen.
Obwohl Dr. Burlage ein paar kleine Feldtests durchführte, konnte er keine weitere Finanzierung beschaffen und zog weiter. “Meine Leidensgeschichte”, sagte Dr. Burlage, jetzt Professor an der Concordia University Wisconsin.
Die Arbeit von Dr. Burlage war eine Inspiration für die israelischen Forscher, und er sagt, er wünscht ihnen alles Gute bei ihren Bemühungen, die Technologie voranzutreiben.
Bakterien sind billig und entbehrlich und können über viel Boden verteilt werden. Und sie melden sich relativ schnell zurück – innerhalb von Stunden oder bis zu einem Tag leuchten sie entweder oder nicht.
In Studien, die im vergangenen Jahr in Current Research in Biotechnology and Microbial Biotechnology veröffentlicht wurden, beschreiben Dr. Belkin und sein Team das Basteln an zwei Schlüsselkomponenten des genetischen Codes von E. coli: DNA-Stücke, die als „Promotoren“ bezeichnet werden und als Ein-/Ausschalter fungieren für Gene und „Reporter“, die lichtemittierende Reaktionen auslösen. Um diesen Effekt zu erzielen, haben sich die Forscher Gene von Meeresbakterien ausgeliehen, die auf natürliche Weise Licht in den Ozean emittieren.
Wissenschaftler stimmten die Bakterien auf eine Chemikalie namens 2,4-Dinitrotoluol oder DNT ab, ein flüchtiges Nebenprodukt von Trinitrotoluol oder TNT. Mit der Zeit sickert DNT-Dampf in den Boden, der eine Landmine umgibt, und die Bakterien können ihn erschnüffeln.
Anstatt frei herumzulaufen, werden die Bakterien in winzigen gelatineartigen Kügelchen immobilisiert, die sie während ihrer Arbeit füttern. Jede Perle mit einem Durchmesser von etwa einem bis drei Millimetern enthält etwa 150.000 aktive Zellen.
Diese neuesten Ernten von gentechnisch veränderten Bakterien reagieren schneller und empfindlicher als Bakterien in den früheren Feldtests der Gruppe, sagte Dr. Belkin. Und die Wissenschaftler brauchen kein Lasersignal mehr, um das Leuchten zu aktivieren.
Eine der zentralen Herausforderungen, an deren Bewältigung die Gruppe arbeitet, ist die sichere Lokalisierung der biolumineszenten Bakterien in einem echten Minenfeld. Wenn sie Landminen entdecken, ist ihr Leuchten so schwach, dass das Licht des Mondes, der Sterne oder nahegelegener Städte es übertönen könnte.
Um dieses Problem anzugehen, berichteten Aharon J. Agranat, ein Bioingenieur an der Hebräischen Universität, und andere Forscher im April in der Zeitschrift Biosensors and Bioelectronics, dass sie ein Gerät entwickelt haben, das die Bakterien abschirmt und ihr Leuchten erkennt. Dieses Sensorsystem kann seine Ergebnisse dann an einen Computer in der Nähe melden, es wurde jedoch nicht außerhalb einer Laborumgebung getestet.
Die Forscher haben kürzlich auch Feldtests in Israel durchgeführt und dabei mit der israelischen Armee zusammengearbeitet, um die Sicherheit der Experimente zu gewährleisten, sowie mit einem israelischen Verteidigungsunternehmen. Die Ergebnisse dieser Tests wurden nicht veröffentlicht, aber Dr. Belkin nannte sie „im Allgemeinen sehr erfolgreich“.
In Zukunft hofft das Team, mit Drohnen Bakteriensensoren in einem Minenfeld einsetzen zu können, sodass Menschen nicht in die Nähe kommen müssen.
Dr. Burlage stieß vor Jahrzehnten auf ein anderes Thema, mit dem sich die Gruppe der Hebräischen Universität noch heute beschäftigt: die Temperatur. Die israelischen Bakteriensensoren funktionieren nur bei etwa 59 bis 99 Grad Fahrenheit, was bedeutet, dass die Forscher herausfinden müssen, wie sie ihre Systeme an sengende Wüstenbedingungen anpassen können.
Die israelischen Bioingenieure räumen auch ein, dass ihre Bakteriensensoren sowohl für humanitäre als auch für militärische Zwecke verwendet werden könnten. DARPA, die Defense Advanced Research Projects Agency, hat ihre Forschung finanziell unterstützt.
Dennoch sind die Bakteriensensoren für Landminen ein Beispiel dafür, wie das Gebiet der synthetischen Biologie „in den letzten Jahrzehnten sprunghaft gewachsen ist“, sagte Dr. Timothy K. Lu, Mitbegründer von Senti Biosciences und Bioingenieur am Massachusetts Institute of . Technology, der an diesen Studien nicht beteiligt war.
„Es ist super aufregend und ich hoffe, dass diese Art von Anwendungen aus dem Labor in die reale Welt übergehen wird“, sagte Dr. Lu.