Forschung 10.11.2000, 17:27 Uhr

Wenn Sensoren am Leben scheitern

Die Entwickler von Biosensoren haben beim Verbinden von Natur und Technik immer wieder Probleme, das Chaos des „Lebendigen“ in den Griff zu bekommen.

Natur und Technik galten lange als kaum vereinbare Gegensätze. Dennoch wollen Wissenschaftler Brücken über diese Grenze bauen. So genannte Biosensoren vereinen beide Welten, indem etwa Proteine oder sogar ganze Zellen mit elektronischen Elementen verknüpft werden. So können die Reaktionen der organischen Teile auf ihre Umwelt direkt in elektrische Signale umgesetzt, gemessen und weiterverarbeitet werden.
Viele Hoffnungen und Fantasien ranken sich um diese Möglichkeiten. Dazu zählt beispielsweise die direkte Verknüpfung von Mensch und Computer. Angesichts dessen wird die Begeisterung verständlich, mit der sich Wissenschaftler der Entwicklung von Biosensoren widmen und ihre Erfolge darstellen. So auch auf dem „Caesarium“, einer internationalen Tagung, die das Bonner Forschungszentrum Caesar (center of advanced european studies and research) jetzt veranstaltete. Rund 100 Wissenschaftler berichteten und diskutierten drei Tage lang über die Möglichkeiten der Kopplung biologischer und elektronischer Systeme.
Allerdings zeigten die Vorträge – und noch viel mehr die Gespräche in den Tagungspausen -, dass die Biosensorik noch eine echte Zukunftstechnologie darstellt, dass sie als solche auch weit davon entfernt ist, in der Praxis breit angewendet werden zu können. „Wenn Sie mal nachfragen, was von den Entwicklungen wirklich technisch einsetzbar ist, werden Sie ein Wunder erleben“, sagt Prof. Peter Fromherz vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München. Zwischen Wunsch und Wirklichkeit klaffe häufig eine große Lücke, gestützt durch eine reißerische Darstellung in den Medien. Fromherz: „Das meiste, was da steht, sind Märchen.“
Zum Beispiel die Entwicklung von Computern, die aus Neuronen bestehen. „Das ist auch heute noch Science fiction“, sagte der Neurophysiker, der selbst auf diesem Feld in der Grundlagenforschung arbeitet. Nach dem Stand der Forschung kann man heute Signale zwischen einer Nervenzelle und einem Chip austauschen und sogar über eine Nervenzelle eine zweite ansteuern. Mehr allerdings auch nicht. „Wir kommen nur sehr langsam voran“, so Fromherz. Einsatzfähige Neurocomputer oder medizinische Prothesen, bei denen die Technik bestimmte Funktionen eines Körpers übernimmt, wie dies bei der künstlichen Netzhaut im Auge der Fall sein könnte, seien in den nächsten 50 Jahren nicht zu erwarten.
Die Entwicklungen scheitern bislang allerdings weniger an der Technik als am Leben. „Nervenzellen lassen sich nicht einfach so auf einem Chip positionieren, wie es sinnvoll wäre“, beschreibt Fromherz eines der Probleme, zumal sich die Zellen ständig weiterentwickeln, unkontrolliert wachsen und dabei ihre Position verändern. „Nach einer Woche ist das alles durcheinander.“
Vergleichbare Schwierigkeiten mit dem Chaos des Lebendigen haben auch andere Projekte. Prof. Hans Lüth, Direktor des Instituts für Schicht- und Ionentechnik (ISI) am Forschungszentrum Jülich, berichtet von der Nutzung abgetrennter Fühler bestimmter Käferarten, um ganz spezielle Duftstoffe zu messen. Die Sinneszellen der Insekten können einen Waldbrand auf 50 km Entfernung riechen. „Die Antennen sind so empfindlich, dass sie schon auf Konzentrationen von weniger als einem Milliardstel Anteil in der Luft reagieren. Das ist vergleichbar mit einem Stück Würfelzucker, das im Bodensee gelöst wird“, so Lüth. Ein entsprechender Biosensor würde – kaum ins Seewasser getaucht – sofort melden: Da ist etwas Süßes.

Das Problem ist derzeit noch die Lebensdauer der Biochips

In Feuermeldern aber werden die Käferfühler wohl noch lange nicht zu finden sein. Denn die Zeit, in der eine einmal abgetrennte Antenne funktioniert, beträgt in der Regel nur wenige Stunden. Danach müsste schon ein neues Exemplar eingesetzt und zudem das Gerät neu geeicht werden. Die Natur stellt selten Dinge bereit, die stets und auf Dauer gleich gut funktionieren.
„Bei Biosensoren ist die Stabilität immer ein Problem“, sagte Fromherz. Die genutzten Enzyme bleiben nur relativ kurze Zeit aktiv. Zudem müssen die Biosensoren nach jeder Messung neu kalibriert werden, um vergleichbare Resultate zu erzielen. Das ist wie beim Weintester, der vor jedem neuen Schluck den Mund erst mit Wasser ausspülen muss. Diese Kalibrierung kostet Zeit und ist häufig so aufwendig, dass sie zwar zu Forschungszwecken im Labor, kaum aber in der Praxis sinnvoll realisierbar ist.
Ein Ausweg aus diesem Dilemma könnten Wegwerf-Biosensoren für kurze Einsätze sein. Einen solchen Ansatz verfolgt Piet Bergveld vom Mesa-Forschungsinstitut im niederländischen Enschede. Er entwickelte einen kleinen Chip, der eine Reihe von enzymatischen Sensoren und somit ein ganzes medizinisches Labor zur Untersuchung von Blutwerten wie Glucose oder Lactat mitsamt den notwendigen kleinen Pumpen und den Kalibrierflüssigkeiten enthält. Die Speicher reichen nur für wenige Messungen, dann muss der Chip ersetzt werden. Beim Einsatz im Krankenhaus ist das laut Bergveld allerdings kein Nachteil, da der regelmäßige Austausch allein wegen der medizinischen Hygienestandards vorgesehen werden müsste. So fiel es ihm auch leicht, seinem „Lab-on-a-chip“ eine Chance in der Praxis einzuräumen und zu verkünden: „Ich glaube an die Einmal-Produkte.“ LUCIAN HAAS

Von Lucian Haas
Von Lucian Haas

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