Vollständige Version anzeigen : Fazinierend: Neuestes aus der Hi-Tec-Forschung
Ich fange einmal einen Thread an, den ich - hoffentlich auch andere, die fündig werden:) - füttern werde, wenn ich etwas Neues sehe, das einmal Ausgangspunkt neuer interessanter Produkte/ Dienstleistungen werden könnte. Das geschieht, damit ich selbst en vogue bleibe und auf einen kleinen Fundus von Bahnbrechenden
Novitäten zurück greifen kann.
NEUER ANTRIEB
Licht lässt Chromosomen kreiseln
Mikroskopisch kleine Motoren könnten künftig von Lasern betrieben werden. Schottischen Forschern ist es gelungen, winzige Kügelchen und sogar Chromosomen mit Licht in Rotation zu versetzen.
Video (195 KB): Karussell für kleinste Teilchen
Licht versetzt zwar keine Berge, aber für Bakterien reicht es allemal. Laserlicht kann winzige Objekte nicht nur bewegen, sondern auch in Kreiselbewegungen versetzen, wie nun schottische Wissenschaftler bewiesen haben. Mit scharf gebündelten Strahlen konnte das Team um Kishan Dholakia von der St. Andrews University mikroskopisch kleine Perlen und sogar das Chromosom eines chinesischen Hamsters rotieren lassen, ohne sie zu beschädigen.
St. Andrews University
Rotation von drei Kugeln mit einem Durchmesser von je fünf Mikrometer
Was zunächst wie eine verrückte Spielerei unter Physikern erscheint, wird möglicherweise in der Biologie und der Nanotechnik der Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Spezielles Laserlicht könnte biologische Maschinen in lebenden Zellen antreiben oder Zahnräder in mikroskopisch kleinen Motoren drehen, berichten die Forscher in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "Science".
Das Verfahren von Dholakia und seinen Kollegen beruht auf einem verblüffenden physikalischen Phänomen: Durch Lichtteilchen, die auf ihre Oberfläche prallen, erhalten winzige Objekte einen Impuls. Deshalb können sie von gebündelten Laserstrahlen wie mit einer Zange eingefangen und bewegt werden. Die so genannte optische Pinzette wird seit einigen Jahren in der Mikrobiologie eingesetzt und macht raffinierte Manipulationen an lebenden Zellen möglich, so lassen sich etwa Moleküle verschieben oder fremde Gene einschleusen.
Häufig müssen solche Teilchen jedoch auch äußerst genau gedreht und ausgerichtet werden. Zu diesem Zweck erzeugte das schottische Team mit zwei sich überlagernden Laserstrahlen ein spiralförmiges Lichtmuster, das als Falle für die winzigen Objekte dient. Dieses Interferenzmuster konnten die Wissenschaftler nach Belieben drehen, indem sie die Ausrichtung eines der Laser veränderten. Kleinste Objekte, die sich in den Spiralarmen des Lichtkarussells verfangen hatten, rotierten dabei mit.
Mit ihrer Apparatur ließen die Forscher Perlen mit einem Durchmesser von nur einem Mikrometer kreiseln. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 100 Mikrometer dick. Um mögliche Anwendungen in der Biotechnik zu demonstrieren, brachten sie auch ein Chromosom eines chinesischen Hamsters zum Rotieren. Zwar gab es schon vorher Verfahren, mit denen kleinste Objekte gedreht werden konnten, doch keines ist Dholakia zufolge so schonend und universell einsetzbar.
In der Mikrobiologie könnte man mit der Methode der Forscher zum Beispiel komplizierte Operationen am Erbgut oder anderen Strukturen im Zellinnern durchführen. Auch in winzigen Laboratorien, die auf einen Mikrochip passen, wird womöglich Laserlicht die treibende Kraft sein: "Unsere Technologie könnte in Zukunft verwendet werden, um Motoren, Mixer, Zentrifugen oder andere rotierende Teile in winzigen Geräten anzutreiben", glaubt Dholakia. "Wir haben gerade erst begonnen, die Möglichkeiten zu erfassen."
Martin Paetsch
SPIEGEL
Gruß
KA:)
Maschinenträume
Die Stunde des Homo roboticus naht
Von Harald Zaun
Die Zukunft gehört intelligenten Maschinenwesen, glaubt Hans Moravec, der Provokateur unter den Roboterforschern. Bis zum Jahr 2050, so seine umstrittene These, haben Automaten den Homo sapiens überrundet.
Hans Moravec, 52, zählt zu den führenden und zugleich auch umstrittensten Forschern der KI-Gemeinde. In seinem zweiten Buch "Computer übernehmen die Macht" (1998) prophezeit Moravec das Ende der biologischen Evolution durch den Aufstieg der Roboter. Der Roboterspezialist glaubt daran, dass Mitte dieses Jahrhunderts Mensch und Maschine miteinander verschmelzen.
Wie ein futuristisches Maschinenwesen sieht Chips nicht gerade aus. Doch das mülltonnenartige Gebilde mit Monitor und Metall-Grimasse, das durch das Carnegie Museum of Natural History in Pittsburgh rollt, ist ein dennoch ein besonderer Roboter: Chips war vor drei Jahren der erste mechanische Museumsführer in den USA. Seither leitet er Kinder durch die Ausstellung und erklärt ihnen die Mechanismen der Evolution.
Den Fortschritt erklären will auch Hans Moravec - allerdings eher den technischen. "Roboter werden eine eigene Evolution durchmachen und völlig neue Dinge tun können. Sie werden stufenweise kompetenter und unabhängiger werden", behauptet der Forscher, der wegen seiner umstrittenen Thesen mal als Scharlatan verurteilt, mal als Prophet einer schönen neuen Roboterwelt gefeiert wird.
Moravec, der in Kanada als Sohn österreichischer Einwanderer aufwuchs, arbeitet am Robotics Institute der Carnegie Mellon University in Pittsburgh, wo auch Chips konstruiert wurde. Neben den Hochöfen von Steel Town, inmitten des Zentrums der amerikanischen Stahlindustrie, bastelt der Wissenschaftler seit mehr als zwanzig Jahren unermüdlich an einem lernfähigen Roboter für die Allgemeinheit.
Das Kunstwesen soll einmal Hausarbeiten, Einkäufe und andere alltägliche Dinge erledigen. "Bis zum Jahre 2010 wird es menschengroße Roboter geben, wenn auch nur mit den geistigen Fähigkeiten einer Eidechse. Immerhin werden sie einfache Dinge tun können wie Böden putzen, abstauben, Pakete befördern oder Müll wegbringen", so Moravec' Vorhersage für die nahe Zukunft.
Doch die Roboter der ersten Generation sind noch starre Sklaven von inflexiblen Programmen. "Nicht die Mechanik des 'Körpers', sondern das Fehlen eines 'Gehirns' bleibt das zentrale Problem", erklärt Moravec. Erst die zweite Generation werde ab 2001 in der Lage sein, neue Fähigkeiten zu erlernen. Moravec: "Diese Universalroboter werden mit rund 100.000 MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde) immerhin die Intelligenz einer Maus haben."
Wohin die Evolution der Roboter bis zum Jahr 2050 führen könnte, hat Moravec in seinem zweiten Buch "Computer übernehmen die Macht" dargelegt. "Ich behaupte, dass Computer eines Tages auf dieselbe Weise werden wahrnehmen, erkennen und denken können wie ein Mensch", lautet die zentrale These, die in der KI-Gemeinde heftig angegriffen wurde. Zumal Moravec prognostiziert, dass in vierzig Jahren wandelnde Computer von menschenähnlicher Gestalt die geistigen und körperlichen Fähigkeiten des Homo sapiens sogar noch übertreffen werden.
Zumindest rein rechnerisch scheint diese Annahme durch das 1965 von Gordon Moore aufgestellte "Moorsche Gesetz" Bestätigung zu finden. Danach verdoppelt sich die Leistungsfähigkeit der Prozessoren alle 18 Monate, während sich ihre Größe gleichzeitig halbiert. Hält dieses Entwicklungstempo tatsächlich an, werden Roboter in vierzig Jahren in der Lage sein, 100 Billionen Instruktionen in der Sekunde auszuführen. Langfristig könnte dies Moravec zufolge auf eine symbiotische Verschmelzung von Bewusstsein und Computertechnik hinauslaufen. "Die Roboter würden die Evolution der menschlichen Intelligenz nachvollziehen", glaubt der Forscher, "nur zehnmillionenmal so schnell."
Die von ihm skizzierte Entwicklung, an deren Ende ein Homo roboticus den Homo sapiens in der Evolution ablöst, muss Moravec zufolge jedoch nicht unbedingt zum Ende des Menschen führen: "Richtig erzogen, werden diese Roboter überwältigend sein. Ich bin überzeugt, dass sie uns in jedem Bereich menschlichen Wirkens übertreffen werden, geistig oder physisch. Arbeiten werden wir dann nicht mehr müssen."
Für viele Kritiker sind solche Phantasien jedoch kaum nachvollziehbar. Vor allem dann, wenn davon die Rede ist, dass Menschen zukünftig ihr Bewusstsein freiwillig in Computern laden werden, um als Roboter weiterzuleben. Und selbst das von zahlreichen Science-Fiction-Autoren und Regisseuren ausgemalte Horrorszenario eines Krieges zwischen Mensch und Maschine scheint in Moravec' Zukunftswelt nicht völlig ausgeschlossen.
Zuvor jedoch, so der Roboterforscher, werden uns die Maschinenmenschen zunächst einmal die wissenschaftliche Arbeit abnehmen und dabei natürlich billiger, rascher und effektiver vorgehen als ihre eigenen Erbauer. "Dann wird unser Weltbild weitgehend den Entdeckungen unserer künstlichen Nachfahren zu verdanken sein", prophezeit Moravec. Albert Einstein, der das jetzige Weltbild entscheidend mitprägte, hätte auf die gewagte Prognose womöglich mit seinem bekannten Zitat geantwortet: "Das Vorhersagen ist nicht einfach, besonders, wenn es die Zukunft anbelangt."
SPIEGEL
Wissenschaftler wollen mit Molekülen rechnen
Erfolg der Nanoelektronik: Drei Forschergruppen stellen aus milliardstel Meter kleinen Strukturen logische Schaltkreise her
"Das sind dramatische Schritte auf dem Weg zu elektronischen Nanocomputern", sagt Greg Y. Tseng, Physiker an der Stanford University.
Der Grund für seinen Optimismus liegt in drei bahnbrechenden Forschungsberichten, die amerikanische und niederländische Wissenschaftler in der heutigen Ausgabe der Fachzeitschrift "Science" präsentieren.
Aus nur wenigen millionstel Millimeter kleinen Strukturen stellten diese drei Gruppen unabhängig voneinander winzige logische Schaltkreise her, die den Weg aus der heutigen Mikroelektronik zur zukünftigen Nanoelektronik mit einem Vielfachen der Leistungsfähigkeit konventioneller Computerchips ebnen sollen.
Von der heutigen Chipproduktion unterscheiden sich die Methoden aller drei Gruppen grundlegend. Versuchen Intel, AMD, Philips und Co, in die greifbaren, großen Siliziumscheiben immer kleinere Strukturen zu ätzen ("Top-Down"), bauen die Nanoforscher umgekehrt ihre Schaltkreise aus einzelnen Molekülen auf ("Bottom-Up"). So kreuzten Charles M. Lieber und seine Kollegen von der Harvard University nur wenige Atome dicke Nanodrähte aus Silizium und Galliumnitrid übereinander.
Dadurch, dass im Galliumnitrid überschüssige Elektronen und im Silizium fehlende Elektronen, so genannte Elektronenlöcher, einen kleinen Strom leiten können, entsteht ein Feld aus logischen Schaltungen.
Je nach Randbedingung können diese Schaltungen Funktionen wie ODER, UND, ODER NICHT ausführen. Solche logischen Verknüpfungen bilden die Grundlage für digitale Rechenoperationen, die ein Computer ausführen kann.
"Mit einer Anordnung von fünf Nanometer (millionstel Millimeter) dicken Nanodrähten könnten zehn Billionen Schaltkreise auf einen Quadratzentimeter passen", hebt Lieber das Potenzial dieser Technologie heraus.
Zum Vergleich, die Chiphersteller stoßen mit ihren lithografischen Ätzprozessen bei wenigen Hundert Nanometer kleinen Strukturen langsam an die Grenze des Machbaren.
In den gleichen Dimensionen wie Lieber bewegen sich die niederländischen Nanoforscher um Cees Dekker an der Technischen Universität Delft.
Statt dünne Siliziumdrähte, setzten Dekker und Kollegen kleine Röhrchen aus Kohlenstoff auf eine hochreine Silizium-Oberfläche. Diese halbleitenden Hohlkörper, deren Hülle gerade mal eine Atomlage dick ist, trennten die Forscher durch eine dünne isolierende Schicht aus Aluminiumoxid so geschickt voneinander, dass sie Schaltkreise aus drei unabhängigen Transistoren aufbauen konnten.
Im Unterschied zu früheren Experimenten erreichten diese logischen Schaltungen erstmals so gute elektronische Eigenschaften, dass ein Computerchip aus diesen Nanoröhrchen in Zukunft möglich erscheint.
Auf der Suche nach schnelleren und günstigeren Computerchips greifen Jan Hendrik Schön und seine Kollegen von den US Bell Laboratories in Murray Hill auf komplizierte organische Moleküle zurück.
In einem aufwendigen Prozess setzen die Forscher diese Moleküle auf eine gestufte Siliziumoberfläche. Eine dünne Lage aus Goldatomen, die die Wissenschaftler vorsichtig aufgedampft haben, dient als elektrischer Kontakt.
Testmessungen bei tiefen Temperaturen haben gezeigt, dass ein einzelnes "elektrisch aktives" Molekül auf der Siliziumfläche wie ein Transistor arbeitet. Mit einem solchen Molekültransistor gelang es den Forscher, einen so genannten "Inverter" aufzubauen. Diese logische Schaltung wandelt eine digitale "1" in eine "0" um.
So erfolgreich alle diese Prototypen der Nanoelektronik arbeiten, bleiben bis zum ersten Nanochip noch einige Hürden zu überwinden.
Zum einen lassen sich die Nanodrähte oder Röhrchen noch nicht genau genug auf eine feste Position einer Oberfläche setzen, um Milliarden von Transistoren tatsächlich auf einen Quadratzentimeter zu bannen.
Zum anderen ist die Ausbeute an verwertbaren und fehlerlos aufgebauten Nanoröhrchen mit den heutigen Herstellungsmethoden noch zu gering, um diese Chips kostengünstig herzustellen. Dennoch habe diese Technologie das Potenzial, weit über die Grenzen der heutigen Chiptechnologie hinauszureichen, so Lieber.
Von Jan Oliver Löfken
DIE WELT
Mr. KnowItAll
16.11.2001, 00:49
x
Neue Zürcher Zeitung 21.11.2001
Knorpel und Knochen aus dem Labor
Das Züchten relativ einfacher Gewebe gelingt immer besser
Beim Tissue Engineering stehen heute Verfahren im Vordergrund, mit denen einfache Gewebe wie Haut, Knorpel oder Knochen im Labor gezüchtet werden können. Ziel ist, die Regenerationsfähigkeit des Körpers zu unterstützen. Die Herstellung von komplexen Organen ist mit den heutigen Verfahren hingegen noch nicht möglich.
Das Tissue Engineering, die Herstellung menschlicher Gewebe im Labor, ist nach der Euphorie der Pionierjahre in eine ruhigere Phase übergegangen. Auf der Konferenz der European Tissue Engineering Society, die kürzlich in Freiburg i. Br. stattfand, waren die grossen Visionen von der Hand aus dem Labor oder dem Herz aus der Retorte nicht mehr zu hören. Zu gross sind derzeit die Schwierigkeiten, die der Züchtung komplexer Organe im Wege stehen. Doch die Herstellung vergleichsweise einfacher Gewebe wie Haut, Schleimhaut, Knorpel und nun auch Knochen macht beträchtliche Fortschritte. Einige Tissue-Engineering-Produkte aus diesem Bereich haben sich schon in der Klinik bewährt, andere stehen kurz vor dem Einsatz am Patienten.
Konstrukt aus Zellen und Trägermaterial
Gemeinsam ist allen Ansätzen, dass dem Patienten eine Gewebeprobe entnommen wird, die Stammzellen oder Stammzellen-ähnliche Vorläuferzellen enthält. Diese Zellen werden zunächst im Labor stark vermehrt. Anschliessend werden sie durch Zugabe von Nährmedien, die reich an Wachstumsfaktoren sind, dazu gebracht, sich zu einem bestimmten Zelltyp weiterzuentwickeln. Die Zellen werden dann auf ein Trägermaterial aufgebracht, zum Beispiel auf ein Polymergerüst oder ein protein- und wasserreichesGel. Dieses Konstrukt aus Zellen und Trägermaterial wird dem Patienten wieder eingepflanzt und reift im Körper zu einem fertigen Gewebe heran. Das Trägermaterial löst sich allmählich auf und wird dabei gleichzeitig durch körpereigene Strukturen ersetzt.
Für Gelenkknorpel ist bereits ein Tissue-Engineering-Produkt auf dem Markt. Dabei werdendie in Zellkultur vermehrten Gelenkknorpel-Zellen des Patienten als Suspension in das Gelenk gespritzt und mit einer Knochenhaut abgedeckt. Eine Schwierigkeit ist dabei, die Knochenhaut so dicht anzunähen, dass die flüssige Suspension nicht auslaufen kann. Die Methode hat sich vor allem bei Sportverletzungen bewährt, bei denen der umgebende Gelenkknorpel gesund blieb. Für den wirklich grossen Bedarf bei Verschleisserkrankungen eignet sie sich allerdings weniger.
Die Arbeitsgruppe von Michael Sittinger von der Charité in Berlin entwickelt nun ein neues Verfahren, bei dem statt einer Zellsuspension ein vorgeformter Knorpellappen in das beschädigte Gelenk eingebracht wird. Die Knorpelzellen des Patienten werden zunächst in ein Gel eingebettet; dieses wird anschliessend in einen stark porösen Kunststofflappen eingetragen. Dieser verleiht dem gezüchteten Knorpel Stabilität. Tierversuche an Mäusen, Kaninchen und Pferden sind abgeschlossen, klinische Tests an Patienten sind noch für dieses Jahr geplant. Der Knorpellappen ist für den Chirurgen leichter zu handhaben als die bisher übliche Flüssigkeit und besser zu verankern.Zudem hoffen die Entwickler, dass das neue Therapieverfahren breiter eingesetzt werden kann und auch bei Verschleisserkrankungen hilft.
Grossflächige Arthrosen, bei denen die gesamte Gelenkfläche beschädigt ist, werden durch eine derartige Behandlung allerdings nicht geheilt werden können. Auch für die entzündlichen Gelenkerkrankungen wie die Arthritis kann das Tissue Engineering noch kein Therapie anbieten. Denn solange die Ursache der chronischen Entzündung nicht behoben werden kann, würde auch ein neu gezüchtetes Gewebe alsbald zerstört werden. Die Wissenschafter von der Charité versuchen nun, Knorpelzellen der Patienten gentechnisch so zu verändern, dass sie entzündungshemmende Stoffe absondern und somit das Knorpelgewebe schützen. Derartige Ansätze sind allerdings noch in den Anfängen.
Verstärkung des Kieferknochens
Knochen, die im Labor gezüchtet werden, werden hingegen in der Klinik noch nicht eingesetzt; doch vieles spricht dafür, dass dieser Schritt bald bevorsteht. Unter anderen arbeitet die Gruppe von Rainer Schmelzeisen von der Universitätsklinik Freiburg daran, patienteneigenen Knochenfür die Kieferchirurgie zu züchten. Kieferchirurgen stehen häufig vor dem Problem, dass im Kiefer des Patienten nicht genügend Knochen vorhanden ist, um Zahnersatz-Implantate zu verankern. Beim bisher üblichen Verfahren wird ein Knochenstück unter Vollnarkose mit einer Stanze von der Beckenschaufel entnommen und in den Kiefer verpflanzt. Mit dieser Methode lassen sich sehr gute Heilungserfolge erzielen. Allerdings ist die Knochenentnahme für die Patienten recht unangenehm; häufig haben sie anschliessend noch wochenlang Beschwerden beim Gehen.
Eine Tissue-Engineering-Methode soll dies nun ändern. Zunächst wird eine kleine Menge Knochenhautzellen, sogenannte Periostzellen, unter lokaler Betäubung in einem kleinen Eingriffvom Unterkiefer entnommen. Es handelt sich dabei um dieselbe Art von Zellen, die auch bei Knochenbrüchen die Heilung in Gang bringen. Diese Zellen werden in Form einer zähflüssigen Lösung auf kleine Kollagenchips aufgebracht. Die mit den Zellen besiedelten Scheibchen haben eine ähnliche Konsistenz wie Knorpel. Sie werden in die Knochenlücke eingesetzt und verhärten dort. Das Verfahren wurde zwar schon an zehn Patienten erprobt, doch noch ist nicht eindeutig bewiesen, dass es sich bei dem neu gebildeten Gewebe tatsächlich um Knochen handelt. Gewebeproben werden derzeit von einem auswärtigen Pathologen unter die Lupe genommen. Bei positivem Ergebnis könnte der künstliche Knochen für die Kieferchirurgie bald auf den Markt kommen.
Zellen zur Teilung anregen
Ziel des Tissue Engineering ist heute nicht mehr so sehr, fertige Gewebe ausserhalb des Körpers zu konstruieren. Vielmehr geht es darum, dieRegenerationsfähigkeit des Körpers zu unterstützen, zum Beispiel indem Zellen zur Teilung angeregt und in eine günstige Umgebung gebracht werden. Dank dieser Hilfestellung soll der Körper selbst in die Lage versetzt werden, das Gewebe neu zu bilden. Ein erfolgreiches Beispiel für dieses In-vivo-Tissue-Engineering stellt die Haut aus der Tube zur Behandlung chronischer Wunden dar. Dabei wird nicht etwa eine echte Haut im Labor gezüchtet. Vielmehr werden dem Patienten lediglich körpereigene Hautzellen in einem Fibrin-Kleber auf die Wunde aufgetragen, die dann selbst eine neue Haut aufbauen.
Nach demselben Prinzip entwickelt Dirk Schaefer von der Universitätsklinik Freiburg derzeit spritzbares Knochenmaterial. Knochenmarkzellen der Patienten werden in Fibrin-Kleber gehüllt, und dieser wird mit einer Zementmasse vermischt. Der Chirurg spritzt dann den viskosen Teig in die Lücke im Knochen. Nach etwa einer halben Stunde wird der Zement fest. Die knochenbildenden Zellen sitzen in dem Zement allerdings nicht fest, sondern bewegen sich innerhalbdes Fibrin-Klebers, der den Zement in einem feinen Netz aus Poren und Kanälen durchzieht. Durch das Konstrukt können Nährstoffe fliessen, um die Zellen zu versorgen, bis die Blutgefässe nachgewachsen sind. Das spritzbare Knochenmaterial hätte den Vorteil, dass es minimal-invasiv angewendet werden könnte. Und da die viskose Masse bis in alle Winkel der Lücke im Knochen vordringt, würde sie vermutlich sehr gut mit dem vorhandenen Knochen verzahnen.
Denkbare Anwendungsbereiche wären Wirbelkörper-Frakturen und Osteoporose-Brüche. Auchbei Paradontose könnte das spritzbare Knochenmaterial hilfreich sein. Bis heute füllen Chirurgenderartige Knochenlücken meist mit Kalziumphosphat-Zement. Doch das Kunstgewebe kann keineechte Verbindung zum umgebenden Kieferknochen eingehen und hält daher nicht immeroptimal. Ein lebendes Implantat wird möglicherweise deutlich besser verheilen. Bevor das neue Verfahren in der Klinik eingesetzt werden kann, wird es allerdings noch einige Zeit dauern. Tierversuche wurden bisher erst an Nacktmäusen durchgeführt.
Züchtung von Zähnen
Noch Jahrzehnte in der Zukunft liegt wahrscheinlich die Züchtung von ganzen Zähnen.Doch die ersten Versuche in diese Richtung zeigen immerhin positive Ergebnisse. Conan S. Young vom Forsyth Institute in Boston ist es unter Anweisung von Pamela C. Yelick gelungen, zahnähnliche Gebilde in Schweinen zu züchten. Die Gruppe arbeitet eng mit einem der Urväter des Tissue Engineering zusammen, Joseph Vacanti vom Massachusetts General Hospital.
Young hat sechs Monate alten Schweinen Zahnknospen für Backenzähne entnommen und die Zellen vereinzelt auf ein Trägermaterial aufgebracht, das wie ein menschlicher Eckzahn geformt war. Diese Konstrukte wurden den Schweinen in ein stark durchblutetes Darmgewebe, das Omentum, eingepflanzt und nach dreissig Wochen wieder entnommen. In dieser Zeit hatten sich verschiedene Gewebe ausgebildet, die Schmelz, Dentin, Pulpa und Zement gleichen und auch entsprechend angeordnet sind. Derzeit ist die Gruppe dabei zu untersuchen, ob es sich tatsächlich um diese Zahngewebe handelt. Ausserdem versuchen die Forscher, grössere Zahngebilde herzustellen. Die ersten Züchtungen hatten nur einen Durchmesser von zwei Millimetern. Youngs Vision ist, eines Tages das Gewebe von unreifen Weisheitszähnen zur Zucht ganzer Zähne zu nutzen. Dieses Gewebe würde man Jugendlichen entnehmen und einfrieren, bis sie es später zur Reparatur ihrer Zähne brauchen.
Rapid Prototyping
Die Züchtung von Zähnen und anderen komplexen Organen, die aus verschiedenen Geweben aufgebaut sind, wird jedoch nur auf optimierten Trägermaterialien gelingen. Daher wird auch in diesem Bereich nach neuen Ansätzen gesucht. So ist es nun möglich, Kunststoffgerüste für Zellen computergesteuert herzustellen. Dafür bietet sich das sogenannte Rapid Prototyping an, das schon lange in der Automobilindustrie beim Bau von Modellen eingesetzt wird. Der Rechner entwirft dabei ein dreidimensionales Modell des Kunststoffträgers, zum Beispiel anhand einer Tomographie-Aufnahme. Dieses Modell wird dann als Bauanleitung für einen Prototypen gebraucht, der Schicht für Schicht fabriziert wird.
Bis jetzt lassen sich mit dem Rapid Prototyping nur bestimmte Sorten von Kunststoffen wie Polylactid verarbeiten, nicht aber wasserreiche Gele. Gerade gelartige Substanzen wie Fibrin sind aber wichtige Träger, unter anderem für plastischen Knorpel. Will man zum Beispiel ein menschliches Ohr herstellen, giesst man bis heute die Zelllösung in eine Hohlform und lässt sie darin verfestigen. Solche in Form gegossenen Knorpelstücke haben aber keine innere Gitterstruktur, die für die anfängliche Ernährung der Zellen wichtig ist. Daher arbeitet Rüdiger Landers unter Leitung von Rolf Mülhaupt am Freiburger Materialforschungszentrum an einem Rapid-Prototyping- Verfahren, das die verschiedensten Materialien, auch Gele, verwenden kann, um komplexe Gitterstrukturen aufzubauen. Auf die Weise lassen sichStrukturen wie zum Beispiel die einer Nase originalgetreu nachbauen.
Bei dem Freiburger «Bioplotter» wird eine Flüssigkeit, zum Beispiel eine Fibrinogenlösung, aus einer Düse in ein flüssiges Medium gespritzt. Dort verfestigt sich die Flüssigkeit augenblicklich durch eine Enzymreaktion zu dem gelartigen Fibrin. Die Düse legt ihre Stränge nach den genauen Anweisungen des Computers und baut somit den dreidimensionalen Prototyp auf. Das Verfahren arbeitet bei Raumtemperatur und ist so schonend, dass lebende Zellen in der Fibrinogenlösung gleich mit verarbeitet werden könnten. Das hätte entscheidende Vorteile. Man könnte auf diese Weise nämlich Zellen zielgerichtet an bestimmten Stellen in das Gitter einbauen und sogar verschiedene Zelltypen verwenden. Bis jetzt können Zellen lediglich nachträglich auf Gerüststrukturen aufgebracht werden. Dabei verteilen sie sich eher gleichmässig und lassen sich nur ungenau placieren. Noch sind allerdings einige technische Schwierigkeiten, vor allem mit der Sterilität, zu überwinden, bevor ein solches Verfahren in klinische Tests eintreten könnte. Die Methode könnte allerdings ein Beitrag auf dem Weg von relativ einfachen hin zu komplex strukturierten Geweben sein.
Carola Hanisch
21. November 2001
Winziger Rechner
Winziger Rechner
In einen Tropfen passen Milliarden Computer
Aus DNS-Molekülen und Enzymen haben israelische Forscher winzige Computer konstruiert. Nun träumt das Team von einem Superrechner, der in einem Wassertropfen Platz findet.
Wenn die Visionen von Ehud Schapiro und seinen Kollegen wahr werden sollten, könnten Scharen biologischer Nanocomputer eines Tages große Mengen von DNS-Sequenzen in kurzer Zeit durchforsten - oder gar im Innern menschlicher Zellen Kalkulationen ausführen. Einen ersten Schritt in diese Richtung hat das Team bereits getan: Es konstruierte einen molekularen Rechner, der im Reagenzglas selbständig einfache mathematische Probleme lösen kann.
Vorbild für das Verfahren waren biochemische Prozesse im Körper: "Die lebende Zelle enthält unglaubliche molekulare Maschinen, die Informationsträger wie DNS- oder RNS-Moleküle auf eine Weise manipulieren, die der von Computern sehr ähnelt", schwärmt Teamleiter Schapiro vom israelischen Weizmann Institute of Science, der die Erfindung zusammen mit seinen Kollegen in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "Nature" vorstellt.
Solche Reaktionen machen sich die Forscher bei ihrem Nanocomputer zunutze: Die Eingabedaten werden in Form von DNS-Strängen in eine Lösung gegeben. Darin befinden sich zwei natürliche Enzyme, die - sozusagen als Hardware des Biorechners - die chemisch kodierten Informationen verarbeiten und das Ergebnis in Form neuer Moleküle ausgeben. Mit verschiedenen weiteren DNS-Abschnitten, die als Software dienen, lässt sich die Mini-Maschine auf die Bewältigung einfacher Operationen programmieren.
Da eine Recheneinheit nur aus wenigen Molekülen besteht, lässt sich in einem Reagenzglas theoretisch ein wässriges Superhirn unterbringen. Eine Billion einzelner Computer kann parallel in einem Tropfen arbeiten, haben die Forscher kalkuliert. Der schlaue Cocktail soll eine Leistung von einer Milliarde Berechnungen pro Sekunde erreichen, wobei die Rechengenauigkeit bei mehr als 99,8 Prozent liegt. Der Stromverbrauch beträgt weniger als ein Milliardstel Watt.
Ähnliche DNS-Computer haben andere Teams zwar schon vorher konstruiert, diese benötigten für ihre Berechnungen jedoch mehrere Reaktionen, die jeweils die Überwachung durch die Wissenschaftler erforderten. Der Flüssigrechner der israelischen Forscher hingegen arbeitet automatisch, sobald einmal die richtige Mischung von Molekülen angerührt ist.
Eine praktische Anwendung solcher DNS-Maschinen liegt zwar noch in weiter Ferne. Möglicherweise werden molekulare Rechner jedoch irgendwann einmal in menschlichen Zellen zum Einsatz kommen, glaubt Teammitglied Zvi Livneh: "Ein solcher Computer könnte in Zukunft zum Beispiel unnatürliche biochemische Veränderungen im Körper registrieren, um dann entsprechende Medikamente zu produzieren und freizusetzen."
Aus DNS-Molekülen und Enzymen haben israelische Forscher winzige Computer konstruiert. Nun träumt das Team von einem Superrechner, der in einem Wassertropfen Platz findet.
Wenn die Visionen von Ehud Schapiro und seinen Kollegen wahr werden sollten, könnten Scharen biologischer Nanocomputer eines Tages große Mengen von DNS-Sequenzen in kurzer Zeit durchforsten - oder gar im Innern menschlicher Zellen Kalkulationen ausführen. Einen ersten Schritt in diese Richtung hat das Team bereits getan: Es konstruierte einen molekularen Rechner, der im Reagenzglas selbständig einfache mathematische Probleme lösen kann.
Vorbild für das Verfahren waren biochemische Prozesse im Körper: "Die lebende Zelle enthält unglaubliche molekulare Maschinen, die Informationsträger wie DNS- oder RNS-Moleküle auf eine Weise manipulieren, die der von Computern sehr ähnelt", schwärmt Teamleiter Schapiro vom israelischen Weizmann Institute of Science, der die Erfindung zusammen mit seinen Kollegen in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "Nature" vorstellt.
Solche Reaktionen machen sich die Forscher bei ihrem Nanocomputer zunutze: Die Eingabedaten werden in Form von DNS-Strängen in eine Lösung gegeben. Darin befinden sich zwei natürliche Enzyme, die - sozusagen als Hardware des Biorechners - die chemisch kodierten Informationen verarbeiten und das Ergebnis in Form neuer Moleküle ausgeben. Mit verschiedenen weiteren DNS-Abschnitten, die als Software dienen, lässt sich die Mini-Maschine auf die Bewältigung einfacher Operationen programmieren.
Da eine Recheneinheit nur aus wenigen Molekülen besteht, lässt sich in einem Reagenzglas theoretisch ein wässriges Superhirn unterbringen. Eine Billion einzelner Computer kann parallel in einem Tropfen arbeiten, haben die Forscher kalkuliert. Der schlaue Cocktail soll eine Leistung von einer Milliarde Berechnungen pro Sekunde erreichen, wobei die Rechengenauigkeit bei mehr als 99,8 Prozent liegt. Der Stromverbrauch beträgt weniger als ein Milliardstel Watt.
Ähnliche DNS-Computer haben andere Teams zwar schon vorher konstruiert, diese benötigten für ihre Berechnungen jedoch mehrere Reaktionen, die jeweils die Überwachung durch die Wissenschaftler erforderten. Der Flüssigrechner der israelischen Forscher hingegen arbeitet automatisch, sobald einmal die richtige Mischung von Molekülen angerührt ist.
Eine praktische Anwendung solcher DNS-Maschinen liegt zwar noch in weiter Ferne. Möglicherweise werden molekulare Rechner jedoch irgendwann einmal in menschlichen Zellen zum Einsatz kommen, glaubt Teammitglied Zvi Livneh: "Ein solcher Computer könnte in Zukunft zum Beispiel unnatürliche biochemische Veränderungen im Körper registrieren, um dann entsprechende Medikamente zu produzieren und freizusetzen."
SPIEGEL
Auf chemischen Wegen in den Nanokosmos:
Forscher eröffnen eine neue Welt der Werkstoffe
von Franz Frisch
Eine dünne Fensterscheibe, die aussieht wie jede andere - doch auf Knopfdruck nimmt sie plötzlich eine blaue Tönung an. Das Glas wird künftig sonnenheiße Gebäude komfortabler machen und gleichzeitig den Energiehunger der Klimaanlagen senken. Denn es kann einfallendes Tageslicht stufenlos herunterdimmen auf 15 Prozent und die Wärmestrahlung sogar auf null reduzieren, ohne den Durchblick zu stören.
Ein neuer Baustoff - so stabil, dass ein Unimog darüber fahren kann. Auch ein starker Gasbrenner vermag ihn nicht in Brand zu setzen. Dabei besteht das leichte und umweltfreundliche Material fast ausschließlich aus Stroh und Hanf.
Eine CD aus klarem Kunststoff. Kristallharte Korundspitzen schleifen 1000-mal darüber - doch die Oberfläche des leichten optischen Materials widersteht dem Angriff besser als hartes Glas.
Die drei so verschiedenen Materialien haben eines gemeinsam: Sie nutzen eine neue Form der Materie. In der konventionellen Technik begegnen uns Materialien meist in einem der drei bekannten Aggregatzustände: Feststoffe aus Metall, Kunststoff, Glas und Keramik, die aus kristallinen oder unregelmäßigen starren Strukturen bestehen; Flüssigkeiten mit dicht gepackten, aber leicht beweglichen Atomen und Molekülen; und Gase, in denen die Moleküle frei durch den Raum flitzen.
Die so genannte chemische Nanotechnik bringt Materie in eine andere Form, schafft neue Werkstoffe, deren Bausteine Nanopartikel sind. Stellt man nämlich Metalle, Glas, Keramik oder Halbleiter nicht als Festkörper her, sondern als winzige Partikel, die 5000-mal auf die Dicke eines Haares passen würden (ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter), dann können sie plötzlich ganz neue Eigenschaften zeigen: Metalle werden zu Halbleitern oder Farbstoffen, Keramik wird durchsichtig wie Glas, Glas wird zum Klebstoff, der Magnetismus eines Stoffs lässt sich ein- und ausschalten.
Helmut Schmidt, Chef des Saarbrücker Instituts für Neue Materialien (INM), begab sich schon 1990 auf dieses technische Neuland - früher als Forscher in Amerika und Fernost. "Als ich damals meine Absicht bekundete, Nanopartikel für neue Werkstoffe auf chemischem Weg herzustellen, stieß ich bei führenden Experten noch auf Skepsis und auch Kritik", erinnert sich der Chemiker, der vorher das Würzburger Fraunhofer-Institut für Silicatforschung geleitet hatte. Nanotechnologie galt noch als Domäne der Physiker.
Davon ist heute keine Rede mehr. Über 70 Basiserfindungen der chemischen Nanotechnik haben Schmidt und seine Mitarbeiter in den vergangenen zehn Jahren weltweit zum Patent angemeldet. Das INM wurde Leibniz-Institut, erfährt deshalb kräftige Förderung durch den Bund und zählt inzwischen knapp 200 Mitarbeiter. Nicht nur Großunternehmen wie Bayer, BASF, Bosch, Siemens, Infineon und VW kooperieren mit ihm, sondern auch viele deutsche Mittelstandsfirmen und bekannte Konzerne aus Übersee.
Die Fenster, die sich elektrisch gesteuert verdunkeln, verdeutlichen die Raffinesse der chemischen Nanotechnik. Sie bestehen aus zwei Glasscheiben, die innen jeweils eine leitende Schicht und eine Metalloxydschicht für den Verdunkelungseffekt tragen. Die wichtigste Komponente aber ist ein glasklarer Nanokomposit als Elektrolyt in der Mitte. Er leitet nicht nur die Ionen zwischen den beiden Oxydschichten hin und her, sondern verklebt die beiden Scheiben auch fest miteinander und gleicht Unebenheiten in der Form der Scheiben aus. Das INM kann neben den flachen Elektrochromscheiben für Glasfassaden oder Glasdächer, die nur noch drei bis fünf Millimeter dick sind, auch weltweit zum ersten Mal gewölbte Glasscheiben für den Autobau anbieten. Damit lassen sich Sonnenhitze und neugierige Blicke auf Knopfdruck ausblenden.
"Die chemische Nanotechnologie eröffnet bei der Werkstoffentwicklung fünf neue Freiheitsgrade", erläutert Helmut Schmidt. Man kann Nanopartikel erstens aus vielen Stoffen herstellen und sie dann zweitens vielfältig mit organischen oder anorganischen Substanzen beschichten. Drittens lassen sich solch beschichtete Nanoteilchen in viele unterschiedliche molekulare Netzwerke chemisch einbinden. In diesen Nanokompositen können die Forscher viertens die gigantische Oberfläche der Nanopartikel gezielt gestalten. Und schließlich lassen sich auch noch durch die Art der Verarbeitung neue Eigenschaften entwickeln.
Das klingt sehr aufwändig, dennoch müssen die neuen Wunderwerkstoffe nicht teuer sein. Sie werden nämlich im "Sol-Gel-Prozess" hergestellt, einem schon in den dreißiger Jahren patentierten Verfahren, in dem alle chemischen Reaktionen flüssig ablaufen und der sich für die Nanotechnik ideal programmieren lässt. Dadurch bleibt die Produktion auch bei kleinem Volumen kostengünstig. Die Ausgangsprodukte sind handelsübliche Chemikalien, von hohem Wert ist nur das Know-how, mit dem die geschickt gesteuerten Synthesen ablaufen.
Kratzschutz für den Autolack
Der jahrtausendealte Werkstoff Glas erfährt im Nanoformat wundersame Verwandlungen: So besteht der eingangs beschriebene Baustoff aus Naturfasern, ist nicht nur stabil und feuerresistent, sondern auch klimafest und gut wärmedämmend. Er könnte in der Dritten Welt als Baumaterial dienen, das ganz aus heimischen Rohstoffen hergestellt wird. Sein Geheimnis liegt in einem Klebstoff, der nahezu vollständig aus gläsernen Nanopartikeln besteht. Taucht man die Naturfasern in den flüssigen Werkstoff, werden sie nach dem Aushärten vollständig von einer mikrometerfeinen unsichtbaren Glasschicht umhüllt, die sie fest verbindet und ihnen eine hohe Steifigkeit verleiht.
Mit dem kratzfesten CD-Werkstoff verwirklichten Schmidt und seine Mitarbeiter einen Traum der Automobilbauer - und stießen zudem ein transatlantisches Joint Venture zwischen Bayer und General Electric Plastics an. Polycarbonat, ein bis auf seine empfindliche Oberfläche superfester Optikwerkstoff, würde als Fenster- und Karosseriematerial Autos leichter und sicherer machen und Designern neue Freiheiten eröffnen. Mit einer Beschichtung, die pro Quadratzentimeter Milliarden unsichtbarer Nanopartikel aus Keramik enthält, hat das INM diesem Stoff nun den glasharten Kratzschutz verpasst.
Deutsche Autofahrer nutzen das Know-how schon jetzt - der neue Scheckkartenführerschein trägt ebenfalls die glasklare keramische Oberfläche. Hier mussten die Forscher eine besondere Hürde meistern: Die Karten sollten sich aus Zeit- und Kostengründen fix und fertig in Großserie produzieren und anschließend per Laserstrahl durch die kratzfeste Oberfläche hindurch individuell beschriften lassen, ohne dass diese beschädigt würde. Auch der erste durch Nanokeramik gehärtete Lack wird bereits in der deutschen Automobilindustrie erprobt.
Ein wichtiges Einsatzfeld der chemischen Nanotechnik ist auch die Medizin. So entwickelt ein Forschungsteam unter dem Berliner Biologen Andreas Jordan in Kooperation mit dem INM eine neue intelligente Krebstherapie. Und Roche-Diagnostics-Forschern um den Chemiker Herbert Harttig gelang gemeinsam mit den Saarbrückern ein hoch empfindliches Nachweisverfahren von Nukleinsäuren, mit dem unter anderem Aids-Viren schon kurz nach der Infektion im Blut nachgewiesen werden können (mehr dazu in der nächsten Ausgabe der ZEIT).
Angesichts der vielen Kombinationsmöglichkeiten der Nanotechnik erstaunt es nicht, dass ihre Anwendungsvielfalt fast unbegrenzt scheint: Graffitifarben perlen von S-Bahn-Wagen ab, komplexe Mikrobauteile aus Keramik werden wie Kunststoff einfach in Formen gespritzt, Nanokatalysatoren killen störende organische Gerüche, gläserne Farbhologramme sichern die Echtheit metallischer Originalteile. Vieles gibt es weltweit zum ersten Mal, zum Beispiel den Stoff, der Papier verfestigt, jedoch ein Zusammenkleben der Buchseiten verhindert. Mit ihm hat das INM das erste rationelle Verfahren geschaffen, um wertvolle alte Bücher gleich palettenweise zu konservieren - eintauchen, abtropfen lassen, trocknen, fertig. Oder den optischen Werkstoff, mit dem sich CDs künftig wie Buchseiten im Rotationsdruck 100-mal billiger produzieren lassen als heute.
Um dieses vielfältige Zukunftspotenzial besser ausschöpfen zu können, haben Helmut Schmidt und sein inzwischen tödlich verunglückter Tübinger Kollege Alfons Göpel 1998 das deutsche Kompetenzzentrum Nanotechnologie für neue Werkstoffe gegründet. Mehr als hundert Firmen und Institute arbeiten inzwischen in dem Netzwerk zusammen, das heute Göpels erste Mitarbeiterin Christiane Ziegler an der Universität Kaiserslautern koordiniert (ZEIT Nr. 51/01).
"Siebzig Prozent aller technischen Innovationen werden durch die Raffinesse der Werkstoffe bestimmt", sagt Helmut Schmidt. Fortschritte bei den Werkstoffen haben immer schon den industriellen Fortschritt geprägt. Daher verwundert es nicht, dass inzwischen auch US-Forschungszentren, die das technische Neuland anfangs ähnlich ignoriert hatten wie Bill Gates das Internet, mit viel öffentlichem Geld an chemischen Nanotechniken arbeiten.
Der Forschungswettbewerb wird also härter.
Der Bayer in Saarbrücken, gern geladener Vortragsredner bei großen US-Kongressen, ist daran nicht ganz unschuldig.
DIE ZEIT
Schonendes Verfahren zur Separierung von biologischen Bausteinen
Von Hans Schürmann und Wolfgang Kappler
Biotechniker benötigen Werkzeuge, um einzelne Zellen bearbeiten und manipulieren zu können. Berliner Forscher haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem die Bausteine sehr schonend separiert werden können.
Biotechniker arbeiten im Mikrokosmos.
Sie untersuchen und manipulieren einzelne Zellen, testen diese auf Reaktionen und versuchen sie zum Wachstum anzuregen. Um die kleinsten Teilchen separieren zu können, benötigen die Forscher Werkzeuge, mit denen sie die Zellen aus einem Verband heraustrennen und manipulieren können.
Eine Berliner Wissenschaftlergruppe an der Humboldt-Universität hat ein Verfahren entwickelt, mit dem die einzelnen Zellen sortiert, charakterisiert und behandelt werden können, ohne diese selbst zu beeinflussen. Es handelt sich um ein universelles Werkzeug für viele Anwendungen in Biologie, Biotechnologie, Medizin und Pharmakologie, das neben dem Vermessen von Zellen auch das Beladen mit Wirkstoffen, sowie das Waschen und Ablegen in Kulturgefäßen erlaubt.
Es werden zwar inzwischen verschiedene Techniken angeboten, mit denen Zellen berührungslos separiert werden können – so mit Hilfe von optischen Pinzetten, magnetischen Feldern oder durch Ultraschall.
Das Besondere an dem Verfahren der Berliner besteht darin, dass es sehr schonend ist. „Diese kleinsten biologischen Bausteine des Körpers sind sehr empfindlich“, erläutert Prof. Günter Fuhr, Leiter des Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) in St. Ingbert, der die Technik zusammen mit der Berliner Arbeitsgruppe entwickelt hat.
Die Zellen sind mit tausenden von Oberflächensensoren ausgestattet, die jeden mechanischen Reiz – beispielsweise durch Kontakt mit einer Pinzette oder Objektträger – registrieren und entsprechende Signale aussenden.
Ein solches Signal kann, je nach Situation, die Zellteilung beeinflussen, eine Immunreaktion der Zelle auslösen, eine Reorganisation der inneren Zellbausteine hervorrufen, aber auch zu Verletzungen der Zellmembran und zum Zelltod führen.
Zellflüssigkeit fließt durch Mikrokanäle
In ihren Versuchen haben die Berliner Forscher herausgefunden, dass die Zellen gegenüber hochfrequenten, elektromagnetischen Feldern im Radiowellenbereich relativ unempfindlich sind.
„Da lag es nahe, ein Mikrosystem zu entwickelt, in dem die Zellen mit Hilfe dieser Radiowellen manipuliert werden können“, sagt Prof. Fuhr, der für die Entwicklung dieser Technik in diesem Jahr den Philip Morris Forschungspreis erhält.
Gemeinsam mit der auf die Entwicklung biotechnischer Systeme spezialisierten Hamburger Evotec OAI AG und der Gesellschaft für Silizium-Mikrosysteme GeSim-mbH in Großerkmannsdorf haben die Berliner eine Art Chip-Labor entwickelt, das auf nur 200 Mikrometer dünnem Glas untergebracht ist.
Die Zell-Lösung wird durch haarfeine Mikrokanäle in dem Glas geleitet – wie Flüssigkeiten durch ein Rohrleitungssystem. In den Mikrokanälen sind miniaturisierte Elektrodensysteme integriert, mit denen die Radiowellen erzeugt werden.
„Mit Hilfe der elektromagnetischen Felder gelingt es, die Zellen sanft zu umfassen, sie mikrometergenau festzuhalten und langsam rotieren zu lassen, ohne dass diese reagieren oder sich verändern“, erklärt der Forscher das Prinzip.
Die schwebenden Zellen können so berührungslos sortiert und mit Mikroskopen oder Lasersystemen vermessen werden.
Zellen im Käfig gefangen
Durch unterschiedliches Schalten der Elektroden in dem Mikrosystem können verschiedene Funktionen erzeugt werden: So können beispielsweise Käfige gebildet werden, in denen Zellen eingefangen werden. Es können Weichen erzeugt werden, um die Zellen zu sortieren, und es können Mikrotrichter geformt werden, um die Zellen wie an einer Perlenschnur aufzureihen. Außerdem können Filter erzeugt werden zum Aufreinigen der Zellen.
Die Evotec OAI AG hat das System – für das 20 unterschiedliche Patente angemeldet sind – unter den Namen „Cytoman“ und „Cytocon“ schützen lassen und die Technik inzwischen auf den Markt gebracht. Kunden für das neue Produkt sind bislang vorwiegend Forschungsinstitute.
HANDELSBLATT
DIE ZEIT
Wirtschaft 09/2002
Schatztruhe Natur
--------------------------------------------------------------------------------
Neuartige Medikamente werden aus Schimmelpilzen und Bakterien gewonnen - gut für Biotech-Firmen, die sich auf Naturstoffe spezialisiert haben
von Silvia von der Weiden
Marc Stadler ist passionierter Pilzsammler. Einer seiner ergiebigsten Jagdgründe liegt in unmittelbarer Nähe seines Arbeitsplatzes: die Wälder um das Wuppertaler Pharmaforschungszentrum der Bayer AG. "Es ist kaum zu glauben, wie viele unbekannte Arten es hier noch gibt", begeistert sich der erfahrene Mikrobiologe. Dabei geht es ihm jedoch nicht um Kulinarisches für den Kochtopf. Wenn der Wissenschaftler auf die Pilzpirsch geht, sucht er nach neuen Medikamenten. Die Anregungen findet er im modrigen Waldboden, auf Baumstümpfen und im Geäst. Seine Informanten sind winzige gelbe Pusteln auf einem Stück Borke, schimmeliger Filz auf einem toten Käfer, schleimige Überzüge auf einem verfaulten Stück Holz. Ob er erfolgreich war, offenbart sich erst im Labor des Instituts für Naturstoffforschung. Hier fahndet der Forscher zusammen mit 50 weitere Spezialisten nach neuartigen chemischen Verbindungen.
"Mikroorganismen weisen viele neue Substanzen mit besonderen Eigenschaften auf, die herzustellen keinem Chemiker einfallen würde", sagt Marc Stadler.
Von der Evolution auf eine bestmögliche biologische Funktion getrimmt, liefern Bakterien, Pilze, Pflanzen und Tiere der Industrie voroptimierte Wirksubstanzen frei Haus. Nicht wenige dieser Naturstoffe haben schon eine glänzende Karriere als Arzneimittel hingelegt: Paradebeispiel ist das Brustkrebsmedikament Taxol, dessen Wirkstoff ursprünglich aus der pazifischen Eibe stammt. Inzwischen synthetisch hergestellt, spült das Arzneimittel dem US-Pharmakonzern Bristol-Myers Squibb Milliardenumsätze in die Kassen. Der hat bereits ein weiteres Eisen im Feuer: Epothilon, eine tumorhemmende Substanz, die aus Schleimbakterien gewonnen wird. Eine Entdeckung, an der Forscher bei der Gesellschaft für Biotechnologische Forschung (GBF) in Braunschweig beteiligt waren. Zusammen mit Bristol-Myers Squibb haben sie neue Verfahren entwickelt, um den Wirkstoff für den menschlichen Organismus verträglicher zu machen. In der klinischen Prüfung wird nun erstmals seine Wirkung auf Tumoren beim Menschen getestet.
"Rund 35 Prozent der umsatzstärksten Medikamente leiten sich von Naturstoffen ab", weiß auch Thomas Henkel, Leiter des Wuppertaler Instituts für Naturstoffforschung der Bayer AG. Er schickt deshalb seine Späher bis nach China, wo Naturstoffe traditionell ein hohes Ansehen in der Medizin genießen. Der modernen Pharmaindustrie bescheren sie inzwischen Umsätze in zweistelliger Milliardenhöhe.
Noch vor wenigen Jahren galt die Naturstoffforschung bei der Industrie als wenig profitabel. Kein Wunder, denn der Aufwand, einen Wirkstoff aus biologischem Material zu isolieren, ist enorm. Hat sich etwa eine Mikrobenart tatsächlich als pharmazeutisch interessant erwiesen, müssen erst einmal die infrage kommenden Verbindungen isoliert werden. "Ein aufwändiger Schritt, der manchmal Monate dauern kann", so Thomas Henkel. Ist ein heißer Kandidat gefunden, müssen Chemiker und Pharmazeuten ihn so verändern, dass er besser wirkt und geringere Nebenwirkungen aufweist. Reine Naturstoffe haben meist erhebliche Nebenwirkungen, sodass sie unverändert kaum Aussicht auf Zulassung haben. Das machte das Geschäft mit ihnen lange Zeit schwierig. Mitte der neunziger Jahre fuhren deshalb viele Pharmakonzerne ihre Budgets für die Naturstoffforschung zurück.
Die Industrie suchte ihr Heil in neuen Techniken: Computerprogrammen, mit deren Hilfe sich Verbindungen ohne Risiko zunächst virtuell am Bildschirm zusammenbauen lassen. Syntheseroboter, die Molekülbausteine im Sekundentakt kombinieren und so die Zahl neuer Substanzen potenzieren können. Doch nur wenige der erzeugten chemischen Verbindungen erwiesen sich auch als biologisch brauchbar. Der erhoffte deutliche Schub für die Wirkstoffentwicklung blieb aus.
Roboter kontra Zeitdruck
Um im internationalen Konkurrenzdruck bestehen zu können, müssten die Branchenriesen jedes Jahr sechs bis acht neue erfolgreiche Präparate herausbringen. Derzeit kommen die meisten Konzerne aber nur auf ein bis zwei Neuentwicklungen pro Jahr. Zudem muss die Industrie die durchschnittliche Entwicklungszeit für Arzneimittel von zwölf auf sechs Jahre halbieren, um bei immer kürzeren Patentlaufzeiten noch rentabel wirtschaften zu können. Jetzt werden die Labor-Roboter immer häufiger mit den Substanzen aus der Natur gefüttert. Eine Strategie, die aufzugehen scheint.
Noch in diesem Jahr will Bayer ein neues Antibiotikum patentieren lassen, das auf Naturstoffen basiert. Von dem neuen Boom profitiert auch die Biotechnologie-Industrie. Firmen wie die Potsdamer Analyticon Discovery haben sich mit reichhaltigen Naturstoffsammlungen auf die voll automatisierte Substanzsuche spezialisiert. Die Pharmaindustrie spart so aufwändige Investitionen. Chancen und Risiken liegen nun in der Hand der kleineren Partner.
"Heute muss ich schon zwei Wochen nach Testbeginn einschätzen können, ob eine Substanz zum Medikament taugt", sagt Analyticon-Geschäftsführer Kai Bindseil. Das Unternehmen hat eine spezielle Technik entwickelt, mit deren Hilfe es die chemische Struktur von Inhaltsstoffen rasend schnell aufklären kann. So kommen Pharmafirmen rascher an reine Substanzen heran. Den Service lässt sich das Potsdamer Bio-Tech-Unternehmen gut bezahlen. Vor kurzem kaufte sich Boehringer Ingelheim mit rund 4,1 Millionen Euro bei ihm ein. Zur Kundschaft gehören auch Bayer und das US-Unternehmen Schering-Plough.
Die Heidelberger Biotechnikfirma Bioleads verfügt über eine der größten Naturstoffbibliotheken Europas. Insgesamt 40 000 verschiedene und zudem sehr seltene Bakterien- und Pilzstämme beherbergt die wertvolle Sammlung, die immer noch wächst. "Hunderttausende von Mikrobenarten sind noch unbekannt. Das ist ein enormes Potenzial, das wir jetzt anzapfen werden", sagt Iris Grün-Wollny, Firmengründerin und Mikrobiologin. Eine Schatztruhe, für die sich Aventis Crop Science und der Darmstädter Arzneimittelhersteller Merck interessieren. Für sie fahndet das Heidelberger Biotechnikunternehmen nun nach geeigneten Wirkstoffen, um daraus umweltschonende Pflanzenschutzmittel und neuartige Herz-Kreislauf-Medikamente sowie Arzneimittel gegen Krebs zu gewinnen.
In einem fensterlosen Kühlraum lagern Tausende von Reagenzgläsern und Petrischalen. Schon beim Öffnen der schweren Stahltür verrät sich ihr Inhalt durch den unverkennbaren "Kellergeruch". Der Mikrobenfundus überrascht durch seine Farbenpracht: Von zarten Elfenbein- oder Rosétönen bis zum grellen Orange und Violett ist das gesamte Farbspektrum vertreten. So auffällig können sich die Mikroorganismen nur präsentieren, weil sie zuvor in Reinigungs- und Konzentrationsschritten angereichert wurden und nun in Reinkultur vorliegen.
Um an die seltenen Winzlinge zu kommen, muss Iris Grün-Wollny nicht selten einen Trick anwenden: Die Mikrobiologin ködert besondere Bakterien und Schimmelpilze, indem sie deren Vorliebe für ungewöhnliche Nahrung ausnutzt. Auf diese Weise werden die interessanten Spezialisten von den Allerweltsmikroben abgesondert. Mithilfe etwa ein paar ausgelegter menschlicher Haare lockt sie gezielt nur jene Mikroben an, die den Naturstoff verdauen und abbauen können. In einem anderen Fall lieferte Eichenborke den entscheidenden Hinweis für einen Mikroorganismus, der nun im Pflanzenschutz Verwendung findet. Ihre Kniffe gibt die Forscherin ungern preis, zu groß ist inzwischen die internationale Konkurrenz.
Rund 400 Unternehmen und Institute aus Europa und den USA beschäftigen sich inzwischen mit Naturstoffen. "Ein Feld, das noch viele innovative Medikamente hervorbringen wird", prophezeit die Wissenschaftlerin.
Nanopartikel transportieren Gene und Medikamente zielgerichtet in erkrankte Gewebe
Von Achim Wüsthof
Winzige Teilchen machen Fensterscheiben auf Knopfdruck undurchsichtig, verwandeln Stroh und Hanf in knüppelharte Baustoffe, verleihen Kunststoffen und Lacken kratzfeste Hüllen, lassen Tablettenpulver besser fließen, bevor es gepresst wird. Feinste Partikel, nur wenige milliardstel Meter (Nanometer) klein und erst unter dem Elektronenmikroskop sichtbar, gewinnen nicht nur als Werkstoffe in Chemie und Technik ( ZEIT Nr. 8/02: "Goldgräber im Zwergenreich" ) an Bedeutung, sondern auch in der Medizin.
Richtig eingesetzt, können die Nanopartikel Medikamente oder neues Erbgut in kranke Zellen und Gewebe schleusen, Tumoren zerstören oder Krankheitserreger frühzeitig entdecken helfen.
"Wir beschäftigen uns seit Jahren mit der Nanotechnologie. Jetzt liegen wir plötzlich im Trend", freut sich Claus Michael Lehr, Biopharmazeut von der Universität des Saarlandes, über das Lob, das Ende Dezember die Fachzeitschrift Science verteilte: Sie feierte die Nanotechnik schlicht als "Durchbruch des Jahres".
Lehr experimentiert mit Nanoteilchen und sieht in der pharmazeutischen Nanotechnologie ein vielversprechendes Konzept für die Gentherapie.
Seine Partikel sollen heilende Gene in kranke Zellen schleusen. "Wir verwenden ganz profane Silikapartikel, auf die sich die DNA wie Spaghetti aufrollen lässt", erklärt er. Die so beladenen Nanopartikel dienen dann als Taxi oder Fähre. In Versuchen an Ratten schmuggelten sie jedenfalls DNA erfolgreich ins Zellinnere.
Die smarten "Staubkörner" bezieht Lehr vom Saarbrücker Institut für Neue Materialien (INM). Chemische Tricks sorgen dafür, dass die winzigen Partikel DNA magisch anziehen - sie sind positiv geladen, die Erbsubstanz negativ. Aus den befrachteten Partikeln bilden sich kleine "Knäuel", und die machen sich als so genannte Nanoplexe auf die Reise in den Zellkern.
Elektrostatische Effekte helfen auch hier - doch wie das alles genau vonstatten geht, kann Lehr selbst nicht erklären. Die Methode funktioniert. Davon zeugen Teströhrchen, die sich bei der Untersuchung der Zellen blau färben. Und das tun sie nur, wenn ein Enzym richtig arbeitet. Genau das zugehörige Gen für dieses Enzym hatte Lehr mit den Nanopartikeln in die Zellen geschleust.
Solches Einschleusen von DNA mit dem Ziel einer Gentherapie ist heute noch ein Wagnis. Ein Versuch in den USA, der Viren als Genfähren benutzte, um eine Erbkrankheit zu kurieren, endete mit dem Tod des Patienten. Seitdem sieht Lehr wachsende Chancen für seine Methode: "Viren sind zwar beim Transport von Genen effizienter, aber viel gefährlicher."
Allerdings räumt er ein, dass er die Risiken seiner Nanotechnik auch noch nicht voll überschaut. Seinen Zellkulturen schadet es jedenfalls nicht, wenn sie DNA-beladene Staubkörnchen in sich aufnehmen. Dies deutet auf gute Verträglichkeit hin.
Wie jedoch der menschliche Organismus darauf reagiert, ist noch unklar, zumal die Substanzen kaum abgebaut oder ausgeschieden werden. Manchmal kann es sogar vorteilhaft sein, wenn Nanopartikel lange im Körper verweilen.
So hofft der Neurochirurg Klaus Maier-Hauff vom Bundeswehrkrankenhaus in Berlin, mit eisenbeladenen Partikeln bösartige Hirntumoren künftig besser zu bekämpfen.
Zusätzlich könnte das Anreichern der Krebszellen mit Eisenpartikeln beim Aufspüren von Metastasen helfen.
Immerhin gelingt es, jeder Zelle rund eine Million Partikel einzuschleusen. Und die Tumorzellen geben bei ihrer Teilung das Metall an Tochterzellen weiter - alle folgenden Generationen sind markiert und lassen sich auf ihrem Weg durch den Körper verfolgen.
Angeln in der Blutprobe
Die Therapie mit den Eisenteilchen soll wie folgt verlaufen:
Meist kommen die gefürchteten Rückfälle aus Randgebieten des Tumors, wo das Skalpell die bösartigen Zellen nicht vollkommen entfernt hat. Maier-Hauff spritzt bei Versuchstieren eisenbeladene Partikel in dieses kritische Gebiet - während einer Operation oder, vom Computer geleitet, durch den Schädel in den Tumor selbst. Dann setzt er den Kopf seiner Ratten oder Hunde einem starken Wechselmagnetfeld aus. Das versetzt die magnetischen Eisenteilchen kräftig in Bewegung, die Temperatur der eisenhaltigen Zellen klettert auf 42 bis 47 Grad - eine so genannte Magnetic Fluid Hyperthermia (MFH). "Die zerstört zwar nicht den Krebs, doch die bösartigen Zellen werden empfindlicher für die anschließende Chemo- oder Radiotherapie", sagt Maier-Hauff.
Ende des Jahres soll die Nanotherapie in die klinische Erprobung gehen. Er kooperiert dabei eng mit dem Biologen Andreas Jordan, der zusammen mit dem Saarbrücker INM diese Therapie bis zur Einsatzreife entwickelt hat. Jordan hat jetzt in Berlin das Centrum für Biomedizinische Nanotechnologie (CBN) und zwei Firmen gegründet, um das Verfahren voranzubringen.
Ein diagnostischer Durchbruch mit magnetischen Nanopartikeln ist Forschern von Roche Diagnostics und vom Saarbrücker INM gelungen.
Sie erhielten im vergangenen Jahr ein US-Patent für den empfindlichen Nachweis von Erbmaterial in Blutproben. Das Verfahren kann Aids-Viren oder Tumorzellen nachweisen.
Die Schlüsselfrage lautete dabei: Wie lässt sich Erbgut, sei es DNA oder RNA (von Aidsviren), in extrem geringen Mengen möglichst rein aus einer Blutprobe fischen?
In jahrelanger Kooperation entwickelten die Saarbrücker Forscher und ihre Kollegen bei Roche winzige gläserne Partikel, die DNA- oder RNA-Stücke an sich ziehen.
Sechs sorgfältig komponierte Metalloxide auf der Partikeloberfläche bewirken das, und auch hier bleibt ein Schuss Quantenmagie.
"Wie das Phänomen genau zustande kommt, ist noch unklar", sagt Roche-Chemiker Herbert Harttig. "Da wirken chemische und physikalische Bindungskräfte zusammen."
Nach dem Einfangen der Genketten spielen die Teilchendompteure ihren zweiten Trumpf aus. Sie können die Partikel auf Knopfdruck magnetisch machen. Dadurch lassen sie sich samt ihrer Fracht aus der Blutprobe fischen und so von Verunreinigungen trennen.
Forscher können die Entwicklung schon heute nutzen: Roche Diagnostics bietet Automaten und Reagenzkits an, mit denen sich nicht nur Aids-Viren, sondern eine breite Palette weiterer Krankheitserreger bis hin zu Tumorzellen sehr empfindlich nachweisen lassen.
Inzwischen kann man Nanopartikel auch so herrichten, dass sie eine besondere Vorliebe für eine spezifische Umgebung entwickeln und Medikamente gezielter an ihren Einsatzort bringen.
Der Biopharmazeut Lehr setzt Polymer-Nanopartikel als Transportsystem für entzündungshemmende Arzneimittel ein. Schon jetzt zeigt die Nanotechnik bei Ratten mit chronischer Darmentzündung so gute Erfolge, dass eine versuchsweise Anwendung beim Menschen vorgesehen ist.
"Wir konnten eine deutliche Verbesserung der Wirkungsdauer des Medikamentes erzielen, ohne dass die Dosis erhöht wurde", sagt Lehr. Die wirkstoffbepackten Partikel lagern sich bevorzugt an jenen Stellen ein, wo der Entzündungsprozess wütet.
Mit ähnlichen Hintergedanken versuchen Forscher der Universität Frankfurt winzige medikamentenbeladene Polymer-Partikel durch die Blut-Hirn-Schranke zu schleusen. Diese Barriere erschwert oft massiv eine effektive Behandlung des Gehirns oder macht sie gar unmöglich.
Wissenschaftler der Freien Universität Berlin wollen die Transporteigenschaften von Lipiden (Fetten) nutzen, um Medikamente wirksamer einzusetzen. "Die großen Erfolge sind jedoch erst in einigen Jahren zu erwarten", sagt Uwe Hartmann, Experimentalphysiker an der Universität des Saarlandes.
Kein Wunder, dass die Nanotechnik vielerorts massiv gefördert wird.
Japan und die USA schütten hierfür jeweils etwa eine halbe Milliarde Dollar jährlich aus - fast dreimal so viel wie Deutschland.
Mitarbeit: Franz Frisch
DIE ZEIT
Metalle mit großen Poren im Innern sind genauso stark wie massives Material, aber viel leichter
Von Gideon Heimann
Vor Jahrzehnten gab's mal eine „Aero-Schokolade", die bestand quasi aus umhülltem Nichts, besser: aus Luftbläschen in Schokolade. Beim Draufbeißen war die Leckerei allerdings alles andere als weich - was man anfangs vielleicht vermutet hätte. Im Gegenteil, die Süßigkeit zeigte sich fast ebenso stabil wie ihre massive Version. Und dieses Beispiel belegt uns schon den Vorteil bestimmter Materialschäume: Man spart immens an Material, um die selbe Stabilität zu erreichen. Die Fachleute sprechen hier von einer hohen Biegesteifigkeit. Kein Wunder also, dass sich die Technische Universität Berlin mit einem neuen Fachgebiet am Institut für Werkstoffwissenschaften und - technologien gerade solchen Untersuchungen widmen will. Hierbei geht es freilich um Metallschaum, vor allem aus Aluminium.
Betrachten wir das hier wirkende Prinzip noch einmal genauer: Nimmt man zwei gleich schwere Platten – eine aus Schaum, eine aus vollem Material – dann biegt sich die Schaumplatte bei gleicher äußerer Belastung wesentlich weniger durch. Schließlich ist sie dicker als jene Platte aus Voll-Material, weil der Schaum fast nur aus Hohlräumen besteht. Und die kleinen Kavernen werden gleichsam von Stützpfeilern umrahmt, die Lasten vor allem auf Druck, aber eben (bei der Verteilung der Kräfte) auch ein wenig auf Zug aufnehmen können. Die einwirkenden Kräfte werden also über eine größere Fläche verteilt als im vollen Material und damit besser ausgeglichen. Soviel zum Verhalten bei relativ kleinen Kräften.
Doch diese Zellstruktur ist es auch, die große Teile des Verformungsverhaltens bestimmt, wenn die von außen kommenden Kräfte stärker werden. Dann geben Schäume gleichmäßiger nach als volles Material. Das ist übrigens der Grund dafür, dass man sich zwar gern schon mal mit Schmackes ins Schaumstoff-Sofa wirft, nicht aber auf eine Bank aus massivem Kunststoff . . .
Zurück zum Metallschaum. Interessant sind solche Werkstoff-Eigenschaften in vielen Industriezweigen, eben dort, wo es um Material- und Gewichtsersparnis geht, andererseits aber die bisher gewohnte Steifigkeit beibehalten werden soll. Vor allem in der Automobilfertigung sind solche Stoffe begehrt, denn damit lässt sich die Gesamtmasse und letztlich der Kraftstoffverbrauch deutlich senken. Das besondere Verformungsverhalten wiederum macht solchen Schaum auch brauchbar für Elemente, die beim Unfall Aufprallenergie aufnehmen.
Bei der Gestaltung der Teile haben die Techniker weitgehend freie Hand, es können auch komplizierte Formen angefertigt werden. Die Produktion ähnelt dem Backen eines Kuchens - nur wird hier (statt des Teigs und des Backpulvers) Aluminiumpulver mit einem Metallhydrid vermengt und in die gewünschte Form gepresst. Erhitzt man das Gemisch bis an den Schmelzpunkt des Alus (bei etwa 600 Grad Celsius) heran, dann werden das Metall pastös und der Wasserstoff frei. Er dehnt sich bei der Hitze sehr stark aus, bildet dabei die gewünschten Hohlräume und treibt das Gemenge auf – wie das Kohlendioxid aus dem Backpulver den Kuchen im Napf.
Eingesetzt werden solche Schäume vor allem in so genannten Sandwich-Elementen. Hierbei werden Schaum-Streifen von Blechen umhüllt, die sich an den Kanten miteinander oder auch mit Karosserieteilen verschweißen lassen. Aber solche Werkstücke lassen sich auch ganz gut miteinander verkleben. Die Fahrzeugbau-Firma Karmann in Osnabrück ist bei der Anwendung dieser Technik schon recht weit.
Freilich ist noch viel Grundlagenforschung notwendig, um die Verfahrensschritte zu verbessern. So wird versucht, den Prozess des Aufschäumens mit Röntgengeräten zu beobachten, um ihn besser steuern zu können. Und die Europäische Raumfahrtagentur ESA finanziert ein Projekt, bei dem solche Versuche unter Schwerelosigkeit stattfinden sollen. Die Forscher erhoffen sich davon Hinweise auf bessere Rezepturen.
Als Leiter des neuen Fachgebiets hat die TU John Banhart berufen. Er hat sich bereits intensiv mit der angewandten Materialforschung insbesondere an Metallschäumen befasst. Banhart wurde 1958 in Esslingen geboren, promovierte 1989 an der TU München in Physikalischer Chemie und ging 1991 ans Fraunhofer Institut für Angewandte Materialforschung in Bremen. An der dortigen Universität habilitierte er sich 1998 im Fachbereich Physik.
Zusätzlich zum neuen Fachgebiet an der TU übernimmt Banhart auch die Leitung der Abteilung Werkstoffe am Hahn- Meitner-Institut in Wannsee. Beide Einrichtungen werden gemeinsam an dem Thema arbeiten.
Und wie groß ist die Konkurrenz weltweit? „Auf diesem Gebiet ist Deutschland ausnahmsweise mal ganz vorn", freut sich der Wissenschaftler. Zumal es hierbei um eine Forschung geht, auf deren Ergebnisse viele potenzielle Anwender in der Industrie schon ungeduldig warten.
DER TAGESSPIEGEL
Göttinger Max-Planck-Forscher simulieren mit Hilfe eines Hochleistungsrechners den Energie-Stoffwechsel – und stoßen dabei auf neue Erkenntnisse
Von Gideon Heimann
Vor Jahrmillionen hat die Natur Energiekreisläufe für Organismen geschaffen. Doch erst heute ist die Wissenschaft in der Lage, mit Hilfe der Computertechnik diese Mechanismen umfassend zu verstehen und darzustellen. Wie aufwendig die Arbeit sein kann, zeigen Rainer Böckmann und Helmut Grubmüller vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen. Um die Lebensvorgänge in einer Zelle zu simulieren, nutzten sie fast zwei Jahre lang einen aus 120 Prozessoren bestehenden Hochleistungsrechner der Gesellschaft für Wissenschaftliche Datenverarbeitung, ebenfalls in Göttingen. Für das Modell musste das Verhalten von ungefähr 200 000 Atomen berücksichtigt und zu einer Simulation molekularbiologischer Prozesse zusammengefasst werden.
Um den biochemischen, aber teils auch rein mechanischen Ablauf nachvollziehen zu können, muss man sich zunächst die Energieversorgung der Zellen ansehen. Sie basiert in allen tierischen Organismen auf der Oxidation kohlenstoffhaltiger Nahrung. Kohlenhydrate und Fette werden vom Körper zu Glukose und Fettsäuren umgewandelt und über das Blut an die „Kraftwerke" der Zellen, die Mitochondrien, geführt. Jede Zelle enthält zwischen 100 und 1000 dieser Energiespender.
Wie beim Laden von Akkus
Dort wiederum findet die eigentliche Oxidation statt, bei der eine Umwandlung abläuft, die dem elektrochemischen Prozess beim Aufladen von Akkus vergleichbar ist. Denn die Zelle selbst kann ihre Energie nur aus einem einzigen Stoff schöpfen, der Adenosin-Triphosphat (ATP) heißt. Das ist die im Organismus meistgebrauchte Substanz, etwa 75 Kilo pro Tag werden davon im menschlichen Körper hergestellt und sofort wieder verbraucht. Und Höchstleistungssportler können ihren ATP-Umsatz sogar bis in den Bereich einer Tonne pro Tag hochtreiben. Die Lebensdauer eines solchen ATP-Moleküls beträgt dabei weniger als eine Minute.
Aber wie funktioniert das System? Im Prinzip handelt es sich um eine ständig wiederholte Reaktionskette zwischen Herstellung und Verbrauch. Sie nutzt die Molekülbindungen des Phosphats aus: Adenosin-Triphosphat, der universale Energiespender der Zelle, gibt diese in Form eines Stromstoßes ab. Dabei zerfällt es zu Adenosin-Diphosphat (ADP) und Phosphat.
Aufgabe der Mitochondrien ist es, aus diesen „Trümmern“ wieder das ATP zu synthetisieren – natürlich unter Aufnahme jener Energie, die in Form der Nährstoffe vom Blut angeliefert wird. Und jetzt sind wir mitten drin in der Arbeit auch der beiden Max-Planck-Wissenschaftler. Denn nun kommt das Enzym F-ATPase ins Spiel, das im Zentrum der Untersuchung stand.
Es ist trotz seiner geringen Größe von etwa 25 Millionstel Millimetern eine richtige kleine ATP-Fabrik, die mit einem mechanischen Teil in der Membran des Mitochondriums verankert ist. Sie dreht sich vergleichsweise schnell, denn sie muss pro Sekunde etwa 100 ATP-Moleküle herstellen. Schließlich müssen immer zehnmal mehr ATP-Moleküle vorhanden sein als ADPs, sonst stirbt die Zelle ab, sie „verhungert“.
Die Drehung wird im Fußteil des Enzyms bewirkt, der wie ein winziger Elektromotor funktioniert. Angetrieben wird er von einem elektrischen Potenzial, das an der Membran der Mitochondrie anliegt. Hervorgerufen wird dieser Stromfluss durch unterschiedliche Konzentrationen von Wasserstoff-Ionen beiderseits der Membran.
Der winzige Elektromotor dreht einen Bereich verzweigter Molekülketten, in dem die eigentliche ATP-Synthese stattfindet. Hier befinden sich drei „Produktionsbehälter", die Bindungstaschen. Wie bei einer Abfüllanlage für Milch- oder Bierflaschen enthält diese rotierende Einheit zur gleichen Zeit in der ersten Tasche gar nichts (leere Flasche), in der nächsten den Rohstoff ADP (die oben mit dem Zapfhahn verschlossene Flasche beim Abfüllen) und in der dritten das fertige ATP, ebenfalls in der verschlossenen Tasche (oder auch Flasche beim Abfüllen).
Wie die Wissenschaftler herausfanden, unterscheiden sich die beiden gefüllten Behälter weder elektro- noch biochemisch von der leeren, kurzzeitig geöffneten Flasche. Es ist allein die räumliche Struktur, die den Unterschied zwischen diesen „Produktionseinheiten" im Verlauf des Herstellungprozesses bildet. Dabei entstehen sogar richtige Kippbewegungen in Teilen der Struktur, „ähnlich wie bei einem mechanischen Hebelwerk", berichten die Forscher. Strukturänderungen auf atomarer Ebene, die sich domino-artig fortpflanzen, führen zu einer präzise koordinierten Verformung der Bindungstasche.
Beim „Abstreifen" der fertigen ATP-Moleküle sind zudem drei Aminosäuren mit elektrochemisch positiver Ladung (Arginine) beteiligt. Während der Herstellung halten sie die negativ geladenen Phosphatgruppen des ATP-Moleküls fest, werden dann aber während der weiteren Drehung des Systems in genau definierter Abfolge weggezogen. Die elektrostatische Anziehung zwischen Aminosäure und ATP-Molekül verringert sich, Letzteres kann die Tasche verlassen.
Eine schnappende Feder
Erst die Simulation der Vorgänge im Computer brachte auch noch eine weitere Besonderheit im Verhalten dieser Taschen zum Vorschein: Sie schließen sich nach der Abgabe des ATP mit der Drehung der „Motorachse" des Enzyms sehr schnell – „wie eine zurückschnellende Feder". Bisher hatte man angenommen, dies geschehe erst in dem Moment, in dem ein ADP-Molekül in der Tasche andockt.
Das Beispiel der Göttinger zeigt: Für die Forscher bedeutet jeder Zugewinn an Computer-Rechenleistung und -tempo auch einen beschleunigten Wissenszuwachs. Denn mit den erst jetzt möglichen Berechnungen gelingt es, das sich gegenseitig beeinflussende Eigenleben aller beteiligten Teilchen zu betrachten.
Eine solche Simulation stellt also nicht allein bekannte Zusammenhänge nur anders dar, sondern ermöglicht viele neue Erkenntnisse über den Mechanismus unseres Körpers. Und für die Erklärung der biologischen Vorgänge nutzt der Rechner allein physikalische und chemische Gesetzmäßigkeiten, wie sie überall gelten.
Der Tagesspiegel
crashmeup
05.04.2002, 17:55
Kann hier Jemmand den Link von Tagesspiegel reinstellen?
Gerne, hier ist er:
http://www.tagesspiegel.de/
Gruß
Eliska:)
Künstliche Knochen können künftig in nur wenigen Stunden per „selektivem Schmelzen“ mit Lasern gefertigt werden. Wie Projektleiter Wilhelm Meiners vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aachen mitteilte, wird bei dem so genannten Selective Laser Melting (SLM) das Implantat direkt aus computertomographischen Daten (CT-Daten) aufgebaut und Schicht für Schicht aus Metallpulver hergestellt.
WiWo/ap AACHEN. Bisher seien Implantate aus Titan für Unfallopfer oder Krebspatienten zum Beispiel durch Gießen des vollständig geschmolzenen Materials entstanden, was meist mehrere Wochen gedauert habe, erläuterte Meiners. Nach der neuen Methode schmelze das Metallpulver nur im Fokus des computergesteuerten Laserstrahls und verbinde sich mit der vorhergehenden Schicht zu einer festen Struktur.
Der künstliche Knochen werde auf einer absenkbaren Platte hergestellt. Sobald die erste Schicht fertig sei, werde die Platte ein Stück heruntergefahren, neues Metallpulver aufgetragen und die nächste Schicht produziert. Innerhalb von wenigen Stunden werde so das Implantat exakt nach den Daten der Computer-Tomographie aufgebaut. „Die Herstellung erfolgt ohne Materialverlust. Metallpulver, das nicht zum Bauteil gehört, kann vollständig wieder verwendet werden“, betonte Meiners.
Das Verfahren biete sich auch für die Produktion komplexer Bauteile aus Leichtbauwerkstoffen an. Mit SLM könne nahezu jede beliebige Geometrie gefertigt werden, sagte Meiners. Damit eröffneten sich neue Möglichkeiten für den Ultraleichtbau etwa in der Luft- und Raumfahrt. Auf der Hannover-Messe wollen Fraunhofer-Forscher neue Anwendungsgebiete für SLM vorstellen.
Wirtschaftswoche
Wissenschaftler haben nach eigenen Angaben erstmals eine Nachricht mit Lichtquanten innerhalb eines Laserstrahls einen Meter weit „teletransportiert“. Damit sind die Forscher der Australian National University (ANU) in Canberra der Science-fiction-Technologie des Raumschiffs „Enterprise“ aus der Fernsehserie Star Treck ein Stück näher gerückt.
Wie die Zeitung „The Australian“ am Montag berichtete, bedienten sich die Wissenschaftler dabei der „Quantenverknüpfung“. Sie zerlegten den Laserstrahl am einen Ende eines optischen Kommunikationssystems und stellten einen Meter entfernt eine identische Nachbildung her. Der Leiter des Teams, der chinesisch-australische Physiker Ping Koy Lam, sagte: „Wir sind bislang nicht in der Lage, Materie zu übertragen. Wir haben Photonen eines Laserstrahls teleportiert.“ Unter einem Photon versteht man ein masseloses Elementarteilchen, das Träger des elektromagnetischen Felds ist. Lam betonte , dass die Technologie die Gleiche sei wie die an Bord des Raumschiffs „Enterprise“ wie sie zum Beamen der Besatzung benutzt wird.
Neue Technologie könnte Computer schneller machen
Das Potenzial für den Einsatz der neuen Technologie ist enorm: Die Kommunikationstechnik könnte entscheidend verbessert werden und in der Computertechnologie zu einer neuen Generation mit drastisch verbesserter Geschwindigkeit führen. Nach Lams Angaben eröffnet die Technologie auch neue Perspektiven in der Chiffrierungstechnik für Banken und Regierungen und könnte die Übermittlung von Informationen beschleunigen. Bis die Wissenschaftler einen Menschen von einem Ort zum anderen beamen können, sei es jedoch noch eine Weile hin, sagte Lam.
Dafür sei der Bau einer Maschine notwendig, die die Billionen Atome des menschlichen Körpers erfasst und analysiert. Ein weiteres Problem sei, dass dafür der menschliche Körper während des Transports zerstört werden müsse, um ihn an eine andere Stelle zu kopieren. Lam betont jedoch: „Das heißt nicht, dass das in ferner Zukunft nicht möglich ist.“ Das Team der ANU lieferte sich in den vergangenen Monaten ein Wettrennen mit Forschern in den USA und Europa, einen Laserstrahl zuverlässig und einheitlich zu „teletransportieren“. In den USA gelang es einem Team von Wissenschaftlern erstmals 1997, Lichtquanten über eine gewisse Entfernung zu beamen.
FAZ
Verschleissfestes Lager für extreme Beanspruchungen
Die Vorstellung, keramische Bauteile in Motoren und Getrieben zu nutzen, ist für manchen Hersteller recht ungewohnt. Schliesslich hängt dem weissen Werkstoff noch immer sein «Kaffeetassen-Image» an: Keramik sei zerbrechlich, heisst es. Dass dem nicht so ist, zeigt die Firma Maxon Motor in Sachseln. Seit mehreren Jahren setzt das Unternehmen auch auf keramische Bauteile, die sich als äusserst verschleissfest erwiesen haben. Einige Motoren mit Keramikachsen werden bereits in Serie gefertigt. Jetzt soll ein Gleitlager auf den Markt kommen, das weltrekordverdächtig ist. Das nur wenige Millimeter grosse Lagersystem besteht aus einer Keramikwelle, die sich in einer Hülse aus gehärtetem Stahl dreht. Bei Langzeitversuchen zeigte sich, dass das Lagersystem auch nach mehr als 100 Millionen Start-Stop-Bewegungen kaum abgenutzt war. Das war selbst für Fachleute überraschend.
Wie die Ingenieure betonen, eignet sich das Gleitlager vor allem für extrem schnelle und kurze Bewegungen, wie sie beispielsweise in der Leiterplattenproduktion auftreten. In Bruchteilen von Sekunden werden dort von Robotern winzige Chips vom Fliessband gezupft und auf die Leiterplatte gesetzt. Fünfmal in der Sekunde packen diese Maschinchen zu und werden dabei extrem schnell beschleunigt und wieder gebremst. Gewöhnliche Kugellager machen diese hohe Geschwindigkeit nicht mit. Auf Grund der schnellen Beschleunigung können sich die kleinen Kugeln nicht in Rollbewegung setzen. Stattdessen rutschen sie über ihre Schiene. Extrem starke Abnutzung ist die Folge. Das keramische Gleitlagersystem indes vollführte rund 140 Millionen Zyklen, ohne auffällige Abnutzung zu zeigen.
Für die Ingenieure des Schweizer Stammhauses und der Tochterfirma Maxon Ceramics in Sexau bei Freiburg im Breisgau ist das ein guter Grund, weiter auf Keramik zu setzen. Zwar ist der Kilopreis des Keramikgrundstoffs Zirkondioxid 20- bis 30-mal höher als der von Stahl, dennoch gehen die Experten davon aus, dass sich Keramik neben Metallen und Kunststoffen als dritte Werkstoffgruppe durchsetzen wird. Immerhin erhöht sich die Lebensdauer eines Getriebes mit Keramikwellen oder -achsen erheblich. Darüber hinaus ersetzt ein Gleitlager auf Grund seiner Einfachheit bis zu zwei grössere Kugellager.
Um den Einsatzbereich der Keramik-Werkstücke auszuweiten, investierte die Firmengruppe in eine eigene Produktionsanlage für Keramik. Damit lassen sich beliebige Werkstücke formen. Inzwischen werden nicht mehr nur Lager oder Motorwellen angeboten, sondern auch winzige Elemente für Computerbauteile, temperaturbeständige Spindeln zum Aufwickeln von Garnen oder sogar Düsen für Zahnarztinstrumente. Mit derartigen Düsen lassen sich Zähne wie mit einem Sandstrahl aufrauen. So haften Füllungen besser. Vorteil der Keramikdüse: Sie ist nickelfrei und eignet sich somit auch für Allergiker.
Die Keramikherstellung ist recht aufwendig. Um das Zirkondioxid zu verflüssigen, wird es mit Kunststoff vermischt und anschliessend zu einem Granulat verarbeitet. Erst daraus können Bauteile spritzgegossen werden. Schliesslich müssen sie erneut bearbeitet werden, um den Kunststoff zu entfernen. Auch das macht die Keramik teurer als Stahl. Dennoch rechnet die Firma damit, dass sich ihre Bauteile durchsetzen werden, und zwar überall dort, wo hohe Lebensdauer, winzige Durchmesser, Verschleissfestigkeit und Hitzeresistenz gefragt sind.
Ein Hindernis müssen die Ingenieure allerdings noch überwinden: das Kaffeetassen-Image der Keramik. Um potenzielle Kunden zu überzeugen, nehmen die Ingenieure deshalb immer zwei kleine Motorwellen mit auf Industriemessen - je ein etwa streichholzlanges Keramik- und ein Stahlstäbchen. Wer zweifelt, darf versuchen, die Kleinteile zu zerbrechen. Zum Erstaunen der Gäste verbiegt sich meist die Stahlwelle. Die Keramik konnte bisher aber niemand knacken.
Tim Schröder
NZZ
vBulletin v3.0.3, Copyright ©2000-2010, Jelsoft Enterprises Ltd.