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Megatrend Biotech: Was Gentechnik und Nano-Roboter bald können – und was nicht

Forscherin Helena Escobar füttert eine ihrer Zellkulturen in einem sterilen Schrank mit einer Nährflüssigkeit.
Die genmanipulierten Zellen werden so vermehrt und können später an Mäusen mit einer – ebenfalls durch -Genmanipulation -verursachten – Erbkrankheit getestet werden. (Foto: t3n)

Nanoroboter, Genscheren und ausgedruckte Lebern: Die ­Medizin scheint dank Fortschritten in der IT-­Entwicklung vor dem nächsten ­­­großen Sprung zu stehen. Doch vom ­wissenschaftlichen Experiment bis zur Anwendung ist es ein weiter Weg. Eine Recherche an den Grenzen der Biotechnologie.

Irgendwie hatte man sich die Milliroboter dann doch anders vorgestellt. Winzig, natürlich, aber vielleicht eher wie das geschrumpfte U-Boot aus dem 1960er-Jahre-Science-Fiction-Film Fantastic Voyage. Der Roboter, der stattdessen in der Petrischale liegt, ist überraschend einfach: ein flaches Rechteck aus schwarzem, biegsamem Kunststoff, anderthalb Millimeter lang, einen Millimeter breit. Erst als der Wissenschaftler Wenqi Hu einen Magneten unter die Schale hält, krümmt sich das schwarze Plättchen und rutscht nervös auf dem durchsichtigen Boden umher. Wenn Wenqi mit einer Kupferdraht-Spule ein gesteuertes magnetisches Feld erzeugt, passiert mit dem Plättchen aber einiges mehr: Wenqi kann es springen, sich kugeln oder sogar kriechen lassen, wie eine Raupe. In Zukunft soll es diese Bewegungen mitten im menschlichen Körper vollführen können – unterwegs im Magen und Verdauungstrakt.

Das, woran Wenqi Hu und Kollegen am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart basteln, könnte nicht weniger sein als die Zukunft der Medizin. Die Forscher denken in kleinen Dimensionen, aber mit großen Visionen: Roboter in der Blutbahn, Gentherapien für unheilbare Krankheiten. Gewebe, das gedruckt werden kann. Das alles scheint mit der Computer­isierung der medizinischen Forschung in greifbare Nähe gerückt: Schon 2016 hat Microsoft ein Machine-Learning-Tool namens Azimuth veröffentlicht, das Forschern dabei hilft, Gene präzise zu manipulieren. Vor Kurzem veröffentlichte das Unternehmen ein Tool, das die sogenannten Off-Targets, also die Nebenwirkungen der Genmanipulation, mithilfe einer KI minimiert. Roboter­forscher wie Wenqi Hu schlagen Brücken zwischen Elektrotechnologie und der synthetischen Biologie, sie entwerfen sich Zellen als Werkzeuge. Convergence nennt man das im Silicon Valley, wenn plötzlich die Erkenntnisse aus ehemals unverwandten Disziplinen zusammenfließen. Und Convergence findet auch in Deutschland statt. Biotech-Einhörner wie die Mainzer Firma Biontech arbeiten mittlerweile eher wie Softwareentwickler: Neue Genstrukturen für Zellen, die Krankheiten bekämpfen sollen, werden dort am Computer entworfen. Der enorme Fortschritt bei Hardware und Software macht es möglich, die dafür nötigen komplexen Berechnungen überhaupt durchzuführen. Und bei Biodruckern wie dem Berliner Startup Cellbricks fragt man sich schon, ob man es eher mit einem Biotech-Labor oder mit 3D-Druck-Ingenieuren zu tun hat.

Halb Labor, halb Werkstatt: In diesem Raum baut und testet Wissenschaftler Wenqi Hu seine biegsamen Milliroboter. Mit der ­­magnetischen Kupferspule auf dem Tisch bringt er sie in Bewegung. (Foto: t3n)

In aufgeregten Artikeln klingt es so, als wäre sie jetzt ­Realität, die Science-Fiction-Medizin: „Designerbabys sind nicht futuristisch, sie sind schon da“ und „Der Versuch, Lungen zu drucken und ihnen mit Stammzellen Leben einzuhauchen“ überschreibt die MIT Technology Review ihre Artikel. Dazu gießen Tech-­Investoren hunderte Millionen US-Dollar ins Biotech-Feuer: Biontech etwa sammelte Anfang des Jahres 270 Millionen Dollar in einer Serie-A-Investmentrunde ein. Ist die Science-Fiction-­Medizin so nah wie sie scheint oder nur ein Sturm in der ­Petrischale?

Kleine Roboter in unseren Blutbahnen

Wenn man Wenqi Hu in seinem Labor am Max-Planck-Institut auf dem Stuttgarter Uni-Campus fragt, wann sein Roboter das erste Mal durch einen echten Magen kriecht, zuckt er mit den Schultern. In fünf bis zehn Jahren, ist die offizielle Schätzung des Instituts. Wenqi wirkt dabei nicht, wie man sich einen klassischen Wissenschaftler vorstellen würde: Er trägt einen schwarzen Pulli, Jeans und bunte Nike-Sneaker. Vor ihm steht ein Dell-Laptop, auf einer Werkbank liegen ein paar Inbusschlüssel und verkabelte ­Platinen. Vielleicht macht Unkonventionalität gute Forschung. Der Geniestreich seines Roboters ist, dass er eigentlich kein ­Roboter ist: Statt aus winzigen Scharnieren und Motoren zu bestehen, ist das weiche Kunststoffplättchen nur magnetisch. „In einem Menschen könnte man den Roboter mit dem Magnetfeld eines Magnet-Resonanz-Tomografen (MRT) steuern“, erklärt Wenqi. Das Max-Planck-Institut plant schon die An­schaffung: „Kleinere Roboter sind kein Problem“, sagt er, „die eigentliche Herausforderung ist die Steuerung von außen.“ ­Wenqis Arbeit hat mit klassischer Medizin nur noch wenig zu tun. Er ist eher ­Physiker oder Ingenieur, der an einer sehr komplizierten ­Steuerungsmaschine arbeitet.

Wenn man über die Gänge des Instituts schlendert, hat man nicht das Gefühl, in einer Forschungseinrichtung zu sein. Menschen trinken Kaffee in Sitzecken, zeigen sich Präsentationen. Auf dem Campus gibt es auch eine Kita und einen Kindergarten. Ein paar Gänge von Wenqis Laborwerkstatt entfernt sitzt Metin Sitti, der Direktor der Abteilung für Physische Intelligenz, in einem sonnigen Eckbüro am Schreibtisch, schaut herüber auf einen Bildschirm, groß wie ein Türblatt. Neben der Tür lehnt ein Fahrrad an einem Whiteboard mit Skizzen, Zahlen und, auf Kniehöhe, ein bisschen Malerei seiner Kinder. Auf der Fensterbank stehen Mitbringsel aus Japan. Dinge, die er während seiner Karriere als Robotiker rund um die Welt eingesammelt hat. In Istanbul, Tokio, Berkeley und Pittsburgh.

„Wir verfolgen hier zwei Ansätze“, erklärt Sitti. „Der erste: Wie bei Wenqis Roboter machen wir die komplexen Dinge wie Steuerung und Energie außerhalb des Körpers – zum Beispiel mit einem MRT. Wir arbeiten an smarten Materialien, weichen ­Magneten zum Beispiel. Die können ihre Form ändern, kommen sicher an schwierige Orte, können Medikamente freigeben, ein Blutgefäß blockieren und damit eine Blutung stoppen. Man könnte sie auch von außen erhitzen und Krebszellen damit töten.“ So weit, so technisch. Den zweiten Ansatz nennt Sitti den bio­hybriden Ansatz. Und da ist man mitten in der Convergence, bei der die Grenzen von Robotik und Biochemie verschwimmen: „Wir nehmen ein Bakterium oder eine spezielle Alge aus der synthetischen Biologie als Antrieb und verbinden sie mit einer bestimmten ­Zelle.“ Wenn Sitti über Biologie redet, klingt es, als rede er von elektrotechnischen Bauteilen: „Rote Blutzellen können wir mit einem Medikament füllen.“ Sitti und sein Team arbeiten mit Bakterien, die ein anderes Institut für sie entworfen hat. Einige davon, so Sitti, können etwa darauf programmiert werden, Krebszellen anzusteuern: „Als ich Vorträge über synthetische Biologie gehört habe, dachte ich: ‚Wow, die machen ja Mikrorobotik‘. Aus dieser Perspektive ist eine Zelle auch eine Mikromaschine, ein Roboter.“

Der Milliroboter (im ­schwarzen Kreis) ist klein genug, um sich in einem Magen zu bewegen, ­Medikamente zu ­transportieren oder Tumore zu bekämpfen. Im unteren Bereich ist ein Bewegungsablauf des Milliroboters zu sehen. (Foto: Jan Vollmer, Abbildung: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme)

Die Produktion der Zellroboter, die im Institut Mikroschwimmer genannt werden, findet ein Stockwerk höher statt. Der junge Forscher Johannes Sachs steht da und starrt durch eine Schutzbrille in ein ofen­ähnliches Gerät: Oben ist ein Silicium-Waver eingespannt, eine untertassengroße spiegelglatte Scheibe, wie sie auch für die Produktion von Computerchips genutzt wird. Wenn der Ofen an ist, verdampft unten ein kleines Stück Gold und lagert sich, in Form von ­Mikrospiralen, auf dem Waver ab. Die winzigen Spiralen können mit den Bakterien und Zellen verbunden und in einem Körper eingesetzt werden: „Wir können sie auch magnetisch von außen steuern. Wenn die Schwimmer den Zielbereich erreichen, wird die Substanz mit einer anderen Fernsteuerung freigegeben“, erklärt Sitti in seinem Büro.

„Als ich Vorträge über ­synthetische Bio­logie ­gehört habe, dachte ich: ‚Wow, die machen ja ­Mikrorobotik‘.“

Metin Sitti will mit den Ergebnissen aus dem Institut ein Startup gründen. Am Institut führt er Machbarkeitsstudien durch, doch der Weg von einer Studie bis zu klinischen Tests ist weit – und für eine Forschungsgruppe allein kaum zu bewältigen. „Dafür braucht man einen Unternehmenspartner, der das Gerät herstellt und von der Arzneimittelbehörde prüfen lässt“, erklärt Sitti. Anfragen von Investoren gebe es bereits. Aber auch mit einem ­Startup brauchen Sittis Visionen noch Zeit. „Es wäre mein Traum zu sehen, wie die Millimaschinen medizinische Funktionen in Menschen erfüllen, bevor ich in Rente gehe“, sagt er.

Von Genscheren und Designerbabys

Eines der Felder, auf dem sich neben der Robotik in der Medizin am meisten tut, ist die Gentechnik. Der Agro-Chemie-Konzern ­Monsanto vertreibt zwar schon seit 1996 genmanipulierten Mais und auch das komplexere menschliche Genom gilt seit 2003 als entschlüsselt, aber bis vor Kurzem brauchte noch jede einzelne Manipulation eines Genoms jahrelange Forschung. Der Flaschenhals des Prozesses war, eine Substanz zu entwickeln, die gezielt eine bestimmte Sequenz aus dem Genom herausschneidet, damit sie ersetzt werden kann. 2012 veröffentlichte ein Team um die Französin Emmanuelle Charpentier ein Papier zu einer Methode, die sich CRISPR-Cas9 nennt und die das aufwendige Schneiden und Manipulieren an ein Enzym auslagert.

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