Bakterien codieren geheime Nachrichten | Natur

Undercover E coli als aktualisierte unsichtbare Tinte fungieren.

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Die Namen Coli. Escherichia coli.
Bildnachweis: photolibrary.com

Seit Jahrtausenden haben Menschen mit unsichtbarer Tinte geheime Botschaften geschrieben, die nur unter bestimmten Lichtverhältnissen oder nach der Entwicklung mit bestimmten Chemikalien gelesen werden konnten. Nun haben Wissenschaftler einen Weg gefunden, Nachrichten in den Farben leuchtender Bakterien zu kodieren.

Die Technik, Steganographie durch gedruckte Mikrobenanordnungen (SPAM) genannt, erzeugt Nachrichten, die per Post verschickt, mit Antibiotika entsperrt und mit einfachen Mitteln entschlüsselt werden können. Es ist in der beschrieben Proceedings of the National Academy of Sciences1.

Wissenschaftlern gelingt es seit Jahren, Botschaften in biologische Moleküle wie DNA oder Proteine ​​zu kodieren. Der Biologe Craig Venter hat seinen Namen zusammen mit mehreren Zitaten in die DNA der teilsynthetischen Bakterien geschrieben, die er letztes Jahr enthüllt hat2.

Manuel Palacios, Chemiker an der Tufts University in Medford, Massachusetts, und seine Kollegen verfolgten einen einfacheren Ansatz, indem sie Nachrichten mit sieben Stämmen von . verschlüsseln Escherichia coli Bakterien. Jedes wurde entwickelt, um ein anderes fluoreszierendes Protein zu produzieren, das im richtigen Licht in einer anderen Farbe leuchtet.

“Wir wollten unbedingt leicht beobachtbare Merkmale verwenden”, sagt Palacios. Techniken wie die von Venter erfordern eine hochentwickelte Ausrüstung, um die DNA zu sequenzieren und die Nachricht zu entschlüsseln. „In unserem Fall reichen Leuchtdioden und ein iPhone“, sagt Palacios.

Bakterienkolonien werden in Reihen von gepaarten Flecken gezüchtet, wobei jede Kombination von zwei Farben einem anderen Buchstaben, einer Ziffer oder einem anderen Symbol entspricht. Zum Beispiel bedeuten zwei gelbe Punkte ein ‘t’, während ein oranger und ein grüner Punkt ein ‘d’ bedeuten. Nach dem Wachstum wird das Koloniemuster auf ein Nitrozelluloseblatt gedruckt, das in einem Umschlag verschickt wird. Der Empfänger kann das Blatt verwenden, um die Bakterien im gleichen Muster nachwachsen zu lassen und die Nachricht zu entschlüsseln.

Durch die Wahl des richtigen E coli Menschen könnten Nachrichten senden, die nach bestimmten Zeiträumen erscheinen oder langsam degenerieren wie die selbstzerstörerischen Memos aus Fernsehprogrammen und Filmserien Unmögliche Mission.

Palacios hat auch Wege entwickelt, Antibiotika in Schlüssel zu verwandeln, die verborgene Botschaften entschlüsseln, indem die Gene für die fluoreszierenden Proteine ​​mit der Fähigkeit verbunden werden, bestimmten Antibiotika zu widerstehen. Um das Prinzip zu beweisen, erstellte er ein SPAM-Blatt, das, wenn es dem Antibiotikum Ampicillin ausgesetzt wurde, lautete “Dies ist eine biocodierte Nachricht vom Walt Lab @ Tufts University 2011”. Wenn er stattdessen das Medikament Kanamycin einnahm, leuchteten die Bakterien in verschiedenen Farben, was übersetzt “Sie haben die falsche Chiffre verwendet und die Nachricht ist Kauderwelsch”.

Das Projekt wurde von der US-amerikanischen Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) finanziert, die Labore herausforderte, Wege zu finden, codierte Informationen mithilfe chemischer Signale statt elektrischer zu übertragen. Einige Kryptographie-Experten glauben jedoch, dass die Bakterien es nie aus Qs Gadget-Labor schaffen würden.

“Es ist ein cleveres Konzept, aber als Methode zum Verbergen von Informationen ist es nicht besonders praktisch”, sagt Meredith L. Patterson, Sicherheitsforscherin bei der Netzwerksicherheitsfirma Red Lambda mit Sitz in Orlando, Florida. Es gibt so wenige Antibiotika, dass ein Codeknacker sie alle leicht auf ein SPAM-Blatt auftragen könnte, um die Nachricht aufzudecken. “Es ist trivial, die Lösung mit Brute-Force zu erzwingen”, fügt Patterson hinzu.

Ein cleverer Kryptograf könnte dieses Problem umgehen, indem er mit jedem Antibiotikum unterschiedliche, aber plausible Botschaften kodiert. “Wenn Kanamycin ‘Wir werden die Strände von Pas de Calais stürmen’ und Ampicillin ‘Wir werden die Strände der Normandie stürmen’ ergibt, muss Hitler noch entscheiden, wohin er seine Truppen schickt”, sagt Patterson.

Kodierte Nachrichten mögen DARPA gefallen, aber in der Praxis, sagt Palacios, “ist dies die letzte Anwendung, für die dies verwendet wird”. Er interessiert sich mehr für das Potenzial, genetisch veränderte Organismen mit „biologischen Barcodes“ mit Wasserzeichen zu versehen, um ihre Herkunft zu verfolgen und Fälschungen zu verhindern.

Das Team versucht nun, Botschaften in robusteren Mikroben wie Hefe oder sporenbildenden Bakterien zu verschlüsseln; und komplexere Organismen, wie Pflanzen, durch Ausnutzung von Variationen in der Form von Blättern oder den Mustern der Wurzeln. “Je mehr Eigenschaften Sie haben, desto mehr Informationen können Sie gleichzeitig einbetten”, sagt Palacios.

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Manuel Palacios

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Yong, E. Bakterien verschlüsseln geheime Nachrichten.
Natur (2011). https://doi.org/10.1038/news.2011.557

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