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Biochips: Mikrosystemtechnik für die Life Sciences

Nanometerkleine Roboter und intelligente Messsysteme in Arterien, fingernagelgroße DNA-Chips, mit deren Hilfe Tausende von Genen aus kleinsten Proben getestet werden können, intelligente Mikrosensoren aus DNA – der Trend in den Life Sciences geht zur Miniaturisierung, egal ob es um Elektronik, Sensorik oder den Umgang mit Flüssigkeiten geht. An der Schnittstelle zwischen Physik, Ingenieurswissenschaft, Chemie, Biologie und Informatik hat sich in den letzten Jahren ein Forschungsfeld mit steigendem Potenzial entwickelt und geht jetzt sogar nano.

Am 29. Januar 1886 schrieb der bei Karlsruhe geborene Carl Friedrich Benz Industriegeschichte, indem er beim Reichspatentamt unter der Nummer 37435 ein dreirädriges Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor zum Patent anmeldete. Seine große Leistung war es, zwei Dinge zusammenzubringen: die Pferdekutsche und den Otto-Motor. Der Otto-Motor existierte zu dieser Zeit bereits und trieb verschiedene Maschinen an. Er war jedoch meistens so groß wie ein heutiger Kleinwagen oder größer. Der Erfinder musste ihn verkleinern, damit die ersten Vorstufen des heutigen Mercedes Benz in Produktion gehen konnten. Mehr als hundert Jahre später stehen Forscher und Entwickler - auch im Bereich der Life Sciences - vor einem ähnlichen Problem.

Kleiner und besser

Mit Biochips lassen sich Hunderte von Experimenten gleichzeitig durchführen. © www.wikipedia.de / Mangapoco

Mobile Diagnostik, personalisierte Mikromedizin und intelligente Implantate sind die Schlagworte der Zukunft der Life Sciences. Ob es um die Diagnose von Krankheiten oder das Hochdurchsatz-Screening von kleinsten Substanzmengen in der Arzneimittelentwicklung geht – Medizin, Pharmazie und biologische Forschung werden von der Mikrosystemtechnik (MST) profitieren. Schätzungen zufolge könnte zum Beispiel eine einprozentige Erhöhung der Ausgaben für die In-vitro-Diagnostik - ein wichtiges Einsatzgebiet der Mikrosystemtechnik - im Gesundheitssystem zu Einsparungen von fünf Prozent führen. In Deutschland wären das mehr als zehn Milliarden Euro pro Jahr. Der Trend in der technischen Entwicklung geht dabei eindeutig zur Verkleinerung bei gleichzeitiger Leistungssteigerung aller Bauteile.

Ein Beispiel für die technische Optimierung durch den Einsatz der MST ist der Biochip. Biochips sind Träger aus Glas oder anderen Materialien, auf denen Biomoleküle in hoher Anzahl und Dichte in definierter Mikroanordnung ("Microarray") fixiert sind. Auf der Oberfläche befinden sich zwischen hundert und zehntausend Punkte mit synthetisch hergestellten biologischen Sonden, zum Beispiel DNA oder Enzyme (in einigen Fällen sogar ganze Zellen), die auf dem Träger fixiert sind. Jeder Messpunkt ("Spot", Radius: 100-300 µm) kann selektiv ein bestimmtes Molekül, Gen oder Ion binden. Ist die Testprobe zuvor mit zum Beispiel Fluoreszenzfarbstoffen markiert worden, zeigt der Biochip im Fluoreszenzmikroskop die Anwesenheit des gesuchten Stoffs an und kann sogar Aufschluss geben über seine Konzentration.

Das Roboterlabor und der Wirtschaftsmotor Mikrosystemtechnik

Ein ganzes Labor auf einem Chip. Die Flüssigkeiten, die nacheinander in definierten Schritten miteinander reagieren sollen, laufen über verschiedene Kanäle, bis sie zusammenkommen. © Maggie Bartlett, NHGRI / www.wikipedia.org

Noch vor zehn Jahren mussten molekularbiologische Untersuchungen per Hand ausgeführt werden. Heute können Roboter im Hochdurchsatzverfahren Hunderte von Proben auf ein fingernagelgroßes Plättchen auftragen und mit Zellen, Enzymen oder DNA-Material zur Reaktion bringen. Solche Experimente dienen Wissenschaftlern dazu, ganze Genome von Organismen zu durchforsten und miteinander zu vergleichen. In der Pharmaindustrie helfen sie, die Wirkung von großen Mengen an unbekannten Substanzen auf biologisches Material im Schnelldurchlauf zu überprüfen. In der Lebensmittelindustrie können Biochips zur Identifizierung gentechnisch veränderter Lebensmittel eingesetzt werden. Durch die Kombination von mikrofluidischen und mikroelektronischen Anwendungen können auch unterschiedliche Abfolgen von selbstständig ablaufenden Reaktionen auf einem einzigen Chip hintereinander geschaltet werden. Es entstehen mobile Mikrolabore, die Patientenproben direkt am Krankenhausbett oder Bodenproben auf dem Weizenfeld in Afrika per Knopfdruck auswerten können.

Die Mikrosystemtechnik ist schon heute ein Motor für den technischen Fortschritt. Und das hat auch wirtschaftliche Implikationen. Laut dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) lag das Umsatzvolumen der MST 2009 bei mehr als 82 Milliarden Euro. Die Tendenz ist steigend, die Wachstumsraten erreichten zwischen 2009 und 2011 laut dem BMBF jeweils rund fünfzehn Prozent jährlich. Die Bundesregierung fördert die Schlüsseltechnologie im Rahmen ihrer „Hightech-Strategie“. Etwa 80 Millionen Euro stellte das BMBF für die Mikrosystemtechnik allein im Jahr 2010 im Förderprogramm "Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT 2020)" bereit. Derzeit werden rund 490 anwendungsorientierte Forschungsprojekte mit einem Gesamtfördervolumen von 184 Millionen Euro unterstützt. Auch eine Clusterinitiative aus Baden-Württemberg wird im Rahmen der zweiten Runde des Spitzencluster-Wettbewerbs des Bundes gefördert. Das in Freiburg koordinierte Mikrosystemtechnik-Cluster „MicroTEC Südwest“ konzentriert sich unter anderem auf die Life Sciences.

In Zukunft noch kleiner?

Eine Pipettierstation für kleinste Flüssigkeitsvolumina. © BioFluidix GmbH

In den nächsten Jahren wird es vermutlich zu einer Verschmelzung von Mikrosystemtechnik und Nanobiotechnologie kommen. Schon heute arbeiten Forscher daran, die Welt der biologischen Moleküle mit Hilfe der Synthetischen Biologie für Ingenieure zugänglich zu machen. Bausätze aus DNA oder Signalproteinen können in Verbindung mit Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS, auch Mikromaschinen genannt), in Zukunft noch effizientere Mikro-Sensorsysteme für chemische Testverfahren liefern. Leitung von Licht in definierten Pulsen durch sogenannte DNA-Blocks auf Biochips könnte außerdem in Zukunft die Informationsleitung mit Elektronen in heutigen Computerchips ablösen und wesentlich schneller machen.

Welche Probleme stellen sich bei der Entwicklung von mikroskopisch kleinen Systemen wie zum Beispiel Biochips? In welchen Bereichen der Biowissenschaften und der Biotech- oder Pharmaindustrie gibt es Potenzial? Wie profitieren die Life Sciences schon heute? Und wie werden sie morgen profitieren? Dieses Dossier gibt einen Einblick.

Literatur: 
Erich Wintermantel und Suk-Woo Ha: "Medizintechnik: Life Science Engineering"; Springer-Verlag Berlin/Heidelberg 2008

Glossar

  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Gentechnik ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
  • Aufgabe der Life Sciences ist die Erforschung, Entwicklung und Vermarktung von Produkten, Technologien und Dienstleistungen auf Basis der modernen Biotechnologie.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Screening kommt aus dem Englischen und bedeutet Durchsiebung, Rasterung. Man versteht darunter ein systematisches Testverfahren, das eingesetzt wird, um innerhalb einer großen Anzahl von Proben oder Personen bestimmte Eigenschaften zu identifizieren. In der Molekularbiologie lässt sich so z.B. ein gewünschter Klon aus einer genomischen Bank herausfiltern.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Ein DNA-Chip besteht aus einer modifizierten Glasoberfläche von ungefähr 2x2 cm mit einer mikroskopisch kleinen Anordnung kurzer DNA Sequenzen. Damit lassen sich tausende Gene in einem einzelnen Experiment analysieren.
  • HTS steht für Hochdurchsatzverfahren; mit diesem automatisierten Verfahren kann in kurzer Zeit eine sehr hohe Anzahl von Wirkstoffen auf ihre biologische Wirksamkeit geprüft werden.
  • In einem "Array" sind viele Proben fein säuberlich nebeneinander aufgetragen. Es ist ein Medium, mit dem bekannte und unbekannte DNA-Sequenzen und Proteine aufgrund von Basenpaarungen und Protein-Protein-Interaktionen in großem Durchsatz identifiziert werden.
  • Die Nanobiotechnologie ist eine Technologie, die darauf abzielt, biologische Funktionseinheiten in grundlegender Hinsicht zu verstehen sowie funktionale Bausteine im nanoskaligen Maßstab unter Einbeziehung technischer Materialien und Grenzflächen kontrolliert zu erzeugen.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Als Fluoreszenz wird die spontane Emission von Licht bestimmter Wellenlänge nach Anregung eines Moleküls mit Licht einer anderen Wellenlänge bezeichnet.
  • Die Mikrosystemtechnik basiert auf technischen (Sub-)Systemen, deren funktionsbestimmende Strukturen Maße im Mikrometerbereich aufweisen (ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter).
  • In einem Cluster arbeiten Unternehmen – die auch miteinander in Wettbewerb stehen können – mit weiteren Partnern aus Forschung, Wissenschaft und Verbänden in einem Wirtschaftsraum zielbezogen zusammen, um gemeinsam einen höheren Gesamtnutzen zu erzielen. Die Kombination von inhaltlicher und räumlicher Nähe der verschiedenen Akteure entlang der Wertschöpfungskette eröffnet die Möglichkeit, Innovationsprozesse zu implementieren.
  • Von einer Clusterinitiative wird gesprochen, wenn die in Netzwerken entstandenen innovationsorientierten Kooperationsbeziehungen zunehmend strategisch und systematisch abgestimmt und dokumentiert werden, Lücken gezielt geschlossen und diese Aktivitäten organisatorisch fundiert werden, beispielsweise durch Einbindung in eine Trägerorganisation.
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/dossier/biochips-mikrosystemtechnik-fuer-die-life-sciences/