Biological machines and the mechanization of life

During its long history from antique hand-operated instruments to modern information processing automata the notion of the machine has several times received a shift in meaning. Today the concept of the machine has completely lost its attachment to any concrete material and is instead characterized by its functional behavior. Symbolic machines, i.e. the mathematical idea to mechanically operate with symbols, became a fundamental skill in many different scientific disciplines. In this paper we take a look on synthetic biology from the computational point of view and especially address the question whether it will once more challenge the notion of the machine. One obvious consequence of future biotechnologies is that we cannot any longer draw a strict line between technique and life. In the past machines did not assemble, maintain and reproduce themselves, they had to be fabricated by man and required human monitoring and directing. Through the technical use of biological processes this hallmark of the living becomes untenable. Self-strategies and especially self-referential functional descriptions like self-assembly, self-reproduction, and self-modification are at the center of the convergence of the natural and the artificial. Conversely the adoption of life-like qualities by technical artifacts will also challenge our image of life and organisms and our understanding of what aliveness could mean

Die Fülle des Konkreten am Skelett des Formalen

Softwaresysteme sind eine effektive technische Strategie zur Herstellung erfundener Wirklichkeiten. In unserer digitalen Kultur handeln programmierte Systeme bereits in beträchtlichem Maße anstelle von Menschen. Dabei gelingt wechselseitiges Aufeinander-­‐ Reagieren von Menschen und programmgesteuerten Apparaturen nur dort, wo Software und Anwender sich auf einen gemeinsamen, oft unsichtbaren Kontext beziehen. Noch weiß die Apparatur nichts von ihrem Tun, es werden lediglich externe Ereignisse registriert und diese mit inneren Zuständen zu Antworten und Reaktionen verrechnet. Die elektronische Hardware fungiert dabei als Substrat und offenes Gefäß, das unterschiedliche Programme aufnehmen und so unterschiedliche Logiken der Interaktion realisieren kann. Im Programm selbst finden wir nur ein Spiel von Zeichen, das Größen und Symbole nach festen Regeln in Beziehung setzt und das Ergebnis in den Displays anzeigt oder mit Hilfe von Aktoren in Handlungen übersetzt. Wie aber halten die Zeichen die Verbindung zur Welt? Oder andersherum: Wie kommt ein Stück Welt in die Maschine? Am Beispiel der Geometrie wird in groben Zügen nachvollzogen, welche Abstraktionen, Idealisierungen und Modellvorstellungen im Spiel sind, bis geometrische Primitive als manipulierbare Objekte im Computer zur Verfügung stehen. Die verschiedenen Abstraktionsebenen, vom Anwendungsmodell über verschiedene formale Spezifikations-­‐ und Softwareebenen bis zum binären Prozessorbefehl sind ein gut untersuchtes Feld im Software-­‐Engineering. Doch die Quantifizierung und Formalisierung markiert nur den Weg in die Maschine und damit nur die Hälfte der Strecke. Im Vollzug des Rechnens findet eine Konkretisierung und Rekontextualisierung des Formalen statt. Zeichen werden rücktransformiert in Kontingenz und wahrnehmbare Qualität. Während im Zuge der Abstraktion eine radikale Säuberung des modellierten Weltausschnitts erfolgt die alles Sinnliche entfernt, sehen wir beim Prozessieren der Algorithmen die Umkehrung. Das nackte Skelett wird wieder angereichert und die ganze Fülle an Gedanken, Gefühlen und Interpretationsmöglichkeiten entfaltet sich aufs Neue. Doch wird nicht zurückgepackt was ehemals weggenommen wurde, sondern Anderes, das sich aus unterschiedlichen Quellen speist. Hier, in den Leerstellen der formalen Beschreibungen, nisten wesentliche Anteile des Reichtums, der Vielfalt und Qualität des Digitalen. Das Formale und das Konkrete dürfen aber nicht als Widersacher im Ringen um Fülle und Ästhetik betrachtet werden, sie bilden ein kraftvolles Gespann. Kluger Umgang könnte darin bestehen, die prinzipiellen Grenzen und Möglichkeiten des Formalen zu kennen, sich der instrumentellen Vernunft aber nicht auszuliefern, sondern sie in ihrer Wechselwirkung mit dem Konkreten zu untersuchen und fruchtbar zu machen.Quantification, formalization, and functionalization of our lifeworld are marking the way of the concrete into the machine. But in the process of calculation the phenomenons and contingencies come back. Here we consider this dependencies on the real world

Die Sizilianischen Förster

Zwei Jahre nach Erscheinen seiner mathematisch verfassten Arbeit „KYBERNETIK, oder Regelung und Kommunikation bei Tier und Maschine“ veröffentliche Norbert Wiener auf Drängen einiger Freunde ein weiteres Buch, das seine Theorien auch Laien zugänglich machen sollte. In diesem zweiten Buch verschwinden alle mathematischen Zeichen, dafür werden von Wiener die sozialen Folgen der Kybernetik herausgearbeitet. Das neue Buch trägt im Original den Titel „The Human Use of Human Beings (Cybernetics and Society)“. Die deutsche Übersetzung verzichtet auf den gesellschaftlichen Anspruch und titelt schlicht „Mensch und Menschmaschine“. Wiener macht deutlich, dass durch das neue Maschinenzeitalter »die unmittelbare Zukunft der menschlichen Gesellschaft von düsteren Gefahren umgeben ist und wir unseren Kurs anhand von Seekarten der Fortschrittsidee verfolgen, auf denen die drohenden Untiefen nicht verzeichnet sind«. Auch wenn die Gefahren heute andere sind als 1950, so sind doch die Seekarten nach denen Politik und Wirtschaft in Bezug auf die Technik navigieren die alten. Und Wieners Frage »Was sollen wir nun in dieser Lage tun?« ist ohnehin zeitlos. Im Bewusstsein der Gefahr, leicht in die Nähe alter ideologischer Fahrwasser der Kybernetik zu geraten oder verschrobenen Phantasien nachzuhängen ganze Gesellschaften ließen sich als riesiger Homöostat modellieren und simulieren, soll im Rahmen eines kleinen Workshops im Juli 2013 trotzdem erneut die Frage gestellt werden, was das Zusammendenken von Kybernetik und Gesellschaft in der aktuellen Problemlage leisten könnte. Können kybernetische Begriffe und damit verbundene Methoden wie Feedback, Blackbox, Information, Homöostase, blinder Fleck, Selbstreferenz, Selbstorganisation, Autonomie, strukturelle Kopplung und Autopoiese überhaupt etwas zum Verständnis sozialer Strukturen beitragen? Die Kybernetik ist mathematisch und abstrakt. Wo bleiben die Werte, nach denen eine Gesellschaft sich ausrichtet? Liegen diese nicht immer jenseits systemtheoretischer Möglichkeiten? Ist es vielleicht trotzdem möglich, Orientierungshilfen auf den abstrakten Fundamenten neuerer kybernetischer Erkenntnisse zu gründen? Warum soll es nicht wenigstens kybernetisch--‐motivierte Handlungsstrategien geben, die sich in vernetzten Sozialstrukturen als überaus brauchbar erweisen? Was taugt zum Beispiel Luhmanns soziologische Systemtheorie als Bedienungsanleitung? Oder lassen sich Gesellschaftsdynamiken grundsätzlich nicht vollständig modellieren? Der folgende Text stellt keine Antworten vor, sondern versucht zunächst aus subjektiver Perspektive die Problemlage zu umreißen

Development of novel orthogonal genetic circuits, based on extracytoplasmic function (ECF) σ factors

The synthetic biology field aims to apply the engineering 'design-build-test-learn' cycle for the implementation of synthetic genetic circuits modifying the behavior of biological systems. In order to reach this goal, synthetic biology projects use a set of fully characterized biological parts that subsequently are assembled into complex synthetic circuits following a rational, model-driven design. However, even though the bottom-up design approach represents an optimal starting point to assay the behavior of the synthetic circuits under defined conditions, the rational design of such circuits is often restricted by the limited number of available DNA building blocks. These usually consist only of a handful of transcriptional regulators that additionally are often borrowed from natural biological systems. This, in turn, can lead to cross-reactions between the synthetic circuit and the host cell and eventually to loss of the original circuit function. Thus, one of the challenges in synthetic biology is to design synthetic circuits that perform the designated functions with minor cross-reactions (orthogonality). To overcome the restrictions of the widely used transcriptional regulators, this project aims to apply extracytoplasmic function (ECF) σ factors in the design novel orthogonal synthetic circuits. ECFs are the smallest and simplest alternative σ factors that recognize highly specific promoters. ECFs represent one of the most important mechanisms of signal transduction in bacteria, indeed, their activity is often controlled by anti-σ factors. Even though it was shown that the overexpression of heterologous anti-σ factors can generate an adverse effect on cell growth, they represent an attractive solution to control ECF activity. Finally, to date, we know thousands of ECF σ factors, widespread among different bacterial phyla, that are identifiable together with the cognate promoters and anti-σ factors, using bioinformatic approaches. All the above-mentioned features make ECF σ factors optimal candidates as core orthogonal regulators for the design of novel synthetic circuits. In this project, in order to establish ECF σ factors as standard building blocks in the synthetic biology field, we first established a high throughput experimental setup. This relies on microplate reader experiments performed using a highly sensitive luminescent reporter system. Luminescent reporters have a superior signal-to-noise ratio when compared to fluorescent reporters since they do not suffer from the high auto-fluorescence background of the bacterial cell. However, they also have a drawback represented by the constant light emission that can generate undesired cross-talk between neighboring wells on a microplate. To overcome this limitation, we developed a computational algorithm that corrects for luminescence bleed-through and estimates the “true” luminescence activity for each well of a microplate. We show that the correcting algorithm preserves low-level signals close to the background and that it is universally applicable to different experimental conditions. In order to simplify the assembly of large ECF-based synthetic circuits, we designed an ECF toolbox in E. coli. The toolbox allows for the combinatorial assembly of circuits into expression vectors, using a library of reusable genetic parts. Moreover, it also offers the possibility of integrating the newly generated synthetic circuits into four different phage attachment (att) sites present in the genome of E. coli. This allows for a flawless transition between plasmid-encoded and chromosomally integrated genetic circuits, expanding the possible genetic configurations of a given synthetic construct. Moreover, our results demonstrate that the four att sites are orthogonal in terms of the gene expression levels of the synthetic circuits. With the purpose of rationally design ECF-based synthetic circuits and taking advantage of the ECF toolbox, we characterized the dynamic behavior of a set of 15 ECF σ factors, their cognate promoters, and relative anti-σs. Overall, we found that ECFs are non-toxic and functional and that they display different binding affinities for the cognate target promoters. Moreover, our results show that it is possible to optimize the output dynamic range of the ECF-based switches by changing the copy number of the ECFs and target promoters, thus, tuning the input/output signal ratio. Next, by combining up to three ECF-switches, we generated a set of “genetic-timer circuits”, the first synthetic circuits harboring more than one ECF. ECF-based timer circuits sequentially activate a series of target genes with increasing time delays, moreover, the behavior of the circuits can be predicted by a set of mathematical models. In order to improve the dynamic response of the ECF-based constructs, we introduced anti-σ factors in our synthetic circuits. By doing so we first confirmed that anti-σ factors can exert an adverse effect on the growth of E. coli, thus we explored possible solutions. Our results demonstrate that anti-σ factors toxicity can be partially alleviated by generating truncated, soluble variants of the anti-σ factors and, eventually, completely abolished via chromosomal integration of the anti-σ factor-based circuits. Finally, after demonstrating that anti-σ factors can be used to generate a tunable time delay among ECF expression and target promoter activation, we designed ECF/AS-suicide circuits. Such circuits allow for the time-delayed cell-death of E. coli and will serve as a prototype for the further development of ECF/AS-based lysis circuits

Biointegrierte Materialien, Artefakte und Prozesse

Das Forschungsvorhaben "Biointegrierte Materialentwicklung" verfolgt die Entwicklung neuer funktionaler Materialien die beispielsweise in Städtebau, Architektur, Produktdesign und Agrikultur zur Anwendung kommen sollen. Durch die Kombination herkömmlicher Materialien und digitaler Konstruktions- und Bearbeitungsmethoden mit Organismen, organischen Prozessen und vor allem biologischem Wachstum sollen neue nachhaltige Materialien und Baustoffe, sowie andersartige Materialprozesse und alternative Formen der Poiesis untersucht werden. Sobald aber Werkstoffe nicht mehr nur als passive Einheiten betrachtet werden, die sich der technischen Konstruktion und der statischen Form unterordnen und in erster Linie durch Bearbeitungs- und Gebrauchseigenschaften bestimmt sind, sondern das eigendynamische zeitliche Verhalten organischer Systeme und natürlicher Wachstumsprozesse mit in den Fokus genommen werden, durchbrechen wir die gängige Dichotomie von Technik und Natur. Die Verbindung von Ingenieurprinzipien mit biologischen Prozessen und natürlichen Abläufen führt nicht nur zu andersartigen Entwurfsmethoden, Herstellungsverfahren und Produktlebenszyklen, sondern insgesamt zu einer Rehabilitation und Wiederinstandsetzung natürlicher Prozesse. Nicht mehr die analytische Beherrschung eines Gegenstandes oder die Erreichung detailliert geplanter Endzustände stehen im Zentrum, sondern die Konfiguration von Milieus und Potentialen, in denen sich natürliche Prozesse etablieren und in die wir gewünschte Funktionen einschreiben können, ohne das biologische Gleichgewicht zu zerstören