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Forscher rechnen mit lebenden Zellen

Lebende Zellen analysieren riesige Mengen von Signalen in einem Arbeitsschritt. Um dieses enorme Potenzial der Natur zu nutzen, verknüpfen Forscher lebende Materie mit Transistoren und Silizium-Chips.

HB HAMBURG. Um einen Parasitenbefall in einem Kartoffelfeld schneller erkennen zu können, verknüpften Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich die Fühler eines Kartoffelkäfers mit einem Mikrochip. Denn eine angeknabberte Pflanze sendet kaum nachweisbare Mengen bestimmter Duftstoffe auf, die andere Käfer mit ihren Antennen riechen und so ebenfalls zu dem Futterplatz gelockt werden. Mit dem neuen Sensor könnte auch der Landwirt einen Schädlingsbefall frühzeitig erkennen und Insektizide gezielter und sparsamer einsetzen als bisher.

Auch andere Wissenschaftler verknüpfen lebende Materie mit Transistoren und Silizium-Chips. In solchen Biosensoren reagiert die Elektronik auf die elektrischen Signale, die in lebenden Zellen bei der Wahrnehmung winziger Mengen von Geruchsstoffen erzeugt werden. Diese Signale werden verstärkt, schalten Transistoren und können mit Computern von Menschen ausgewertet werden.

Diese Hybride aus Maschine und Lebewesen sollen Umweltbelastungen genauer aufspüren, medizinische Diagnosen und die Wirkstoffentwicklung vereinfachen oder in ferner Zukunft zur Berechnung von komplexen Problemen angewendet werden. "Wir haben das Riechorgan einer Zecke in einem Sensorchip integriert, damit dieser die Anwesenheit von Menschen in einem Gebiet anzeigt", beschreibt Bernhard Wolf, Professor auf dem Heinz Nixdorf Lehrstuhl für Medizinische Elektronik an der Technischen Universität, München, einen Forschungsansatz, den er zusammen mit einem großen deutschen Unternehmen für Sicherheitstechnik verfolgte.

Sicherheitstechnik: Eindringlinge werden erschnüffelt

Ziel war es, im Unterschied zu einem Bewegungssensor, zwischen eingedrungenen Tieren und Menschen zu unterscheiden. Weil die Präparation des Riechorgans jedoch sehr aufwendig ist, versucht Wolfs Arbeitsgruppe nun mit Zellen aus dem Riechepithel eines Hundes einen ähnlichen Hybrid-Sensor zu entwickeln. Diese Zellen können in vergleichbarer Qualität leichter in der notwendigen Menge im Labor gezüchtet werden.

"Auch physiologische Signale einer Zelle können genutzt werden", sagt Wolf. Denn Zellen reagieren sehr spezifisch mit chemischen Prozessen auf bestimmte Substanzen in ihrer Umwelt. So produzieren sie Ionenströme, die wiederum mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden können. Ein Testlauf mit Biosensoren zur Untersuchung der Gewässerqualität in Bayern ist gerade in Vorbereitung.

Doch noch steckt die Technik in der Grundlagenforschung. Ohne die natürliche Versorgung durch das Insekt oder das Spendertier beschränkt sich die Lebensdauer dieser Biosensoren meist auf einige Tage. "Auch die Stoffwechselprodukte der Zellen verschlechtern mit der Zeit die Kontakte zur Mikroelektronik", beschreibt Wolf die Grenzen dieser Hybrid-Sensoren.

Biochips helfen bei der Entwicklung von Medikamenten

Wolf betrachtet die Möglichkeiten solcher Techniken für Riech- oder Sehprothesen in der Medizin oder gar künstlichen Gedächtnissen daher eher skeptisch. Zwar gelang es kürzlich Forschern vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried, ein lebendes neuronales Netzwerk mit einem Mikrochip zu verbinden, doch müssten mehr Neuronen für deutlich längere Zeiten zuverlässig untereinander und mit der angeschlossenen Elektronik kommunizieren können, um diese Technik einsetzen zu können.

Eher geeignet seien die Biochips für die exakte Untersuchung von Tumorzellen und deren chemische Reaktionen auf potenzielle Krebsmedikamente. So können nach Ansicht von Wolf Pharmaentwickler mit Biochips viel versprechende Kandidaten für einen neuen Wirkstoff schneller finden, wenn sie mit einem so genannten Cell Monitoring System die Lebensfunktionen von Krebszellen in Gegenwart von möglichen Chemotherapeutika überwachen.

Im Prinzip bergen lebende Zellen sogar das Potenzial, bestimmte komplexe Probleme schneller zu lösen als heutige Silizium-Chips. So zeigte sich in ersten Versuchen, dass sie Aufgaben eines Analog-Digital-Wandlers oder logische Basisfunktionen wie "und" oder "nicht" vergleichbar mit einem rein elektronischen Schaltkreis übernehmen können. Wolf will diese Ansätze in dem Projekt "Cell meets silicon: Wie Zellen rechnen" im Frühjahr 2002 auf der Cebit in Hannover vorstellen.

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