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Geräteentwicklung - neue Werkzeuge für die Life Sciences

Im Alltag von Forschern, Entwicklern und Dienstleistern in den Life Sciences sind Hard- und Software-Anwendungen tagtäglich im Einsatz und nicht mehr wegzudenken – sei es beim computergesteuerten Wirkstoffscreening, bei der maschinellen Herstellung von Biosensoren oder beim blitzschnellen, mobilen Bakterientest im Handtaschenformat. Trends wie Automatisierung und Miniaturisierung sorgen dafür, dass neue Gerätschaften dabei immer kleiner und auch selbstständiger werden. Ersetzt die Maschine bald die menschliche Arbeitskraft?

Mit zum Teil riesigen, computergesteuerten Gerätschaften teilt sich menschliche Arbeitskraft heutzutage die Wirkungsstätte. © GATC Biotech AG

In den letzten Jahren fand beispielsweise die Mikrosystemtechnik viele Anwendungen in den Bereichen der Biotechnologie, Pharmazie, Medizintechnik und Biosensorik - genau dort, wo mit kleinen Probenmengen gearbeitet werden muss. Sie liefert Hardware, die von mikrostrukturierten Reaktoren im Bereich der Medizintechnik, über innovative Biochips bis hin zu unikalen Messtechniken für einzelne Zellen reicht.

Vermehrten Einzug in die Life Sciences halten seit Jahren immer wieder auch neue Gerätschaften und Software-Anwendungen der Biophotonik und Optoelektronik. Neuartige Zwei-Photonen-Mikroskope erlauben die Beobachtung von Prozessen im Maushirn, um den Ursachen von Alzheimer nachzugehen, während ein 2009 entwickeltes Gerät der Berliner Firma LTB Lasertechnik ein nichtinvasives Verfahren zur optischen Früherkennung des gefährlichen „Schwarzen Hautkrebs“ anwendet, bei dem ein Hautscanner verdächtige Pigmentmale schmerzfrei und schnell abrastert. Das Hightech-Gerät macht erstmals diese Melaninfluoreszenz messbar und diagnostisch auswertbar. Das Ziel der Hard- und Softwareindustrie ist eindeutig: Prozesse und Technologien schneller, leistungsfähiger zu machen, gleichzeitig aber auch beizutragen, Erzeugnisse preiswerter herzustellen und anbieten zu können. Die Trends lauten deshalb Automatisierung (z.B. bei der Wirkstoffsuche im Hochdurchsatzverfahren) und Miniaturisierung.

Innovative 3D-Technologien im Kommen

Im Software-Bereich haben sich unterdessen beispielsweise 3D-Technologien als leistungsstarkes Modellierungswerkzeug für unter anderem Molekülstrukturen, Medizin(technik) und die Darstellung der Wirkungsweise von Arzneimitteln im menschlichen Körper entwickelt. Prävention ist besser als heilen. Aber ist der Krebs bereits ausgebrochen, können neue 3D-Technologien die Genesungschancen verbessern. Neuartige Handheld-Laserscanner erlauben beispielsweise durch Abtasten individuell angepasste Prothesen - innerhalb einer halben Stunde - zum Beispiel für an Hautkrebs erkrankte Patienten, bei denen ein Teil eines Organs wie der Nase entfernt werden muss und ohne frühzeitigen Einsatz einer Prothese während der Heilungsphase die Gefahr bestünde, dass sich das Gewebe lockert oder im Umfeld der Nase bleibend verformt und ein plastischer chirurgischer Eingriff dann gegebenenfalls nicht mehr möglich wäre. Mit dem zunehmenden Einsatz von IT lassen sich vielfältige biologische Datensätze einordnen und komplexe Sachverhalte analysieren.

Leistungsstarke Algorithmen zur Koloniezählung per Mausklick

Vor vielen Jahren undenkbar, heute in vielen Labors an der Tagesordnung: Hochmoderne Hardware erledigt biochemische Analysen und Resistenztestungen automatisch. © Labor Dr. Brunner

Wo früher Handarbeit an der Tagesordnung von Biologen, Medizinern, Mikrobiologen war, analysiert heute eine ausgeklügelte Software schnell und leistungsstark. So brachte das Unternehmen Kapelan Bio-Imaging im vergangenen Jahr eine Anwendung auf den Markt, die innerhalb weniger Sekunden alle Arten von Analyseplatten durchsucht und vorhandene Kolonien sowie deren Fläche, Rundheit und Durchmesser ermittelt. Einige wenige Klicks sind hierbei notwendig, um von einem digitalen Bild zur Anzahl der Kolonien oder zur Spotanalyse zu kommen.

Jüngst wurde am Zentrum für Bioinformatik Tübingen eine Software (Biochemical Algorithms Library) für die Arzneimittelforschung entwickelt, die mit 3D-Modellierung und Simulationen im Schnellverfahren aus rund 100.000 Substanzen die 50 ermittelt, welche mit der höchsten Wahrscheinlichkeit die gewünschte Wirkung zeigen. Eine weitere neue Richtung beim Einsatz intelligenter Software-Lösungen auf dem Life-Science-Gebiet ist die „Computational Epigenetics“: So ist es Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts und Genetikern der Uni Saarland gelungen, ein auf statistisch-mathematischen Methoden (Data-Mining) basierendes Programm („EpiGRAPH“) zu entwickeln, mit dem man die Verteilung von Methylgruppen im Erbgut gesunder Zellen vorhersagen kann. Hierzu werden unter anderem Methylierungsmuster von Krebszellen und gesunden Zellen miteinander verglichen, um einen Startpunkt für die Suche nach gezielteren epigenetischen Medikamenten mit weniger Nebenwirkungen zu setzen. Das System durchsucht innerhalb weniger Zeit riesige Analyse- und Genomdatenbanken.

Roboter: Mensch-Ersatz und Kostendrücker

Mittels neuer Entwicklungen im Soft- und Hardware-Feld gewinnt die Übertragung gefährlicher oder monotoner Arbeitsaufgaben an Roboter immer mehr an Bedeutung – zum Beispiel bei der Analyse und Bearbeitung medizinischer Proben für eine schnellere Diagnose beim Patienten oder die automatisierungsgestützte Kultivierung von Zellen zur Testung von potenziellen neuen Wirkstoffen. Ende vergangenen Jahres wurde das an der Universität Rostock entwickelte erste vollautomatisierte Zellkultivierungssystem vorgestellt – ein Komplettlabor auf drei Quadratmetern im Wert von 500.000 Euro. Das Vorantreiben neuer Hardware zur Automatisierung im Labor wird Experten zur Folge als die einzige Möglichkeit für die Biotech-Branche in Deutschland angesehen, um im globalen Konkurrenzkampf bei der Medikamenten-Entwicklung mitzuhalten. Verantwortlich für den Bedarf an automatisierten Lösungen zeichnet sich laut Meinungsführern der demografische Wandel, der zur Folge haben wird, dass in den kommenden Jahren oder Jahrzehnten Tausende von Laborarbeitsplätzen unbesetzt bleiben.

Der Mensch bleibt trotz der fortschreitenden Automatisierung dennoch weiterhin unersetzlich, wie Dr. Oliver Nolte, Leiter der Molekularbiologie beim Konstanzer Labor Dr. Brunner, das im Rahmen seiner Hightech-Strategie vor Kurzem ein weltweit neuartiges vollautomatisiertes Gerät zur Probenverarbeitung installiert hat, bekräftigt: „Gerade bei der Bewertung von Proben, die beispielsweise Erregergemische enthalten, reichen hochmoderne optische Technologien nicht aus, da häufig Textur, mikroskopisches Erscheinungsbild, aber auch der Geruch von Bakterienkolonien eine wichtige Rolle spielen.“

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Biosensoren sind biologische Detektionssysteme zum Aufspüren kleinster Substanzmengen.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • 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.
  • Aufgabe der Life Sciences ist die Erforschung, Entwicklung und Vermarktung von Produkten, Technologien und Dienstleistungen auf Basis der modernen Biotechnologie.
  • 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.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • HTS steht für Hochdurchsatzverfahren; mit diesem automatisierten Verfahren kann in kurzer Zeit eine sehr hohe Anzahl von Wirkstoffen auf ihre biologische Wirksamkeit geprüft werden.
  • 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.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Plastizität ist die Eigenschaft von Organismen, ihre Merkmalsausprägungen unter Einfluss von Umweltfaktoren zu verändern. Unter neuronaler Plastizität versteht man die Eigenschaft von Nervenzellen, sich in Abhängigkeit von ihrer Aktivität in ihren Antworteigenschaften zu verändern. Meist wird dabei die Stärke der synaptischen Übertragung beeinflusst (synaptische Plastizität). Die neuronale bzw. synaptische Plastizität wird als grundlegender Mechanismus für Lernvorgänge und Bildung von Erinnerungen angesehen.
  • Die Alzheimer-Krankheit (auch Morbus Alzheimer genannt) ist eine langsam fortschreitende Demenz-Erkrankung, die sich in einer immer stärkeren Abnahme der Hirnfunktionen äußert. Sie tritt vor allem im Alter auf. Die Hauptursache von Alzheimer sind intrazelluläre Ablagerungen eines Fragments des Amyloid-Vorläufer-Proteins (APP), wodurch es zu einem zunehmenden Verlust von Nervenzellen und damit der Gehirnmasse kommt. Die Betroffenen zeigen anfangs nur eine geringfügigen Vergesslichkeit. In späteren Stadien sind vor allem die Sprache, das Denkvermögen und das Gedächtnis beeinträchtigt. Im Endstadium der Krankheit kommt es schließlich zu einem vollständigen Verlust des Verstandes sowie der Persönlichkeit der betroffenen Personen.
  • Mit Imaging ist meist eine Methode zur Bildgenerierung und -erfassung gemeint.
  • Die Epigenetik beschäftigt sich mit den vererbbare Veränderungen in der Genexpression, die nicht auf Abweichungen in der Sequenz der DNA zurückzuführen sind.
  • Methylgruppen sind Atomgruppierungen mit der Zusammensetzung -CH3.
  • Methylierung ist die Einführung von Methylgruppen in organische Verbindungen.
  • Die Mikrosystemtechnik basiert auf technischen (Sub-)Systemen, deren funktionsbestimmende Strukturen Maße im Mikrometerbereich aufweisen (ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter).
  • Als Biophotonik werden alle optischen Verfahren und Technologien bezeichnet, die sich mit der Wechselwirkung von Photonen und organischem Material befassen.
  • Als Optoelektronik bezeichnet man Verfahren, die Umwandlung von Lichtemission (Optik) in elektronische Daten (Halbleiterelektronik) ermöglichen und anders herum.
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