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Banner für Heft 4/2021 mit dem Titel "Klein, aber oho". Neben dem Schriftzug ist eine Lupe über einer straßenförmigen Anordnung von Spinnen gerichtet zu sehen. Der Lupeneffekt offenbart die robotische Beschaffenheit der Spinnen.

Biologie wird programmierbar

Biologie plus Informationstechnik ergibt Bio-IT und damit ganz neue Technologien, die für Laien heute noch wie Science Fiction klingen. In vielen Forschungslaboren und Start-ups sind sie aber schon längst angekommen. Sie versprechen eine bessere Medizin ebenso wie mehr Klima- und Artenschutz oder effektivere Möglichkeiten der Datenspeicherung.

Biologie und IT sind näher aneinander gerückt, weil sich die Biowissenschaften rasant weiterentwickelt haben. Mit den Analysemethoden von Hochdurchsatzverfahren können Forscherinnen und Forscher immer einfacher und kostengünstiger immer einfacher das Erbgut einer Zelle, eines Gewebes oder eines ganzen Organismus erfassen. Die Analysemethoden können automatisiert zahlreiche Gene in einem einzigen Sequenzierungsdurchlauf parallel auslesen.

Dieser Vorgang produziert Unmengen von Daten, aber wie nutzt man die sinnvoll? Hier kommen die IT-Fachleute ins Spiel, die die entsprechenden Programme schreiben und zum Beispiel künstliche Intelligenz darauf trainieren, harmlose Muttermale von bösartigen Melanomen zu unterscheiden.

Die digitale Lernplattform „KI-Campus“ gibt einen Überblick darüber, wo künstliche Intelligenz in der Medizin zum Einsatz kommen kann:

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Roboter unterwegs in der Blutbahn

An einer langgehegten Vision der Medizin arbeiten Wissenschaftler mittlerweile recht konkret: Nanoroboter, die selbsttätig durch den Körper steuern, Krankheiten im Frühstadium entdecken und zielgerecht Wirkstoffe freisetzen können. Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart haben bereits einen Roboter von der Größe eines weißen Blutkörperchens entwickelt, den sie mit Hilfe von Magnetspulen in einem künstlichen Blutgefäß dirigieren konnten. Dort hat er Krebszellen erkannt und einen Gegenwirkstoff abgegeben.

DNA als Hardware
Natur ist die bessere Hardware

Informationstechniker helfen aber nicht nur Biologen und Medizinern; sie haben auch biologisches Material als „Hardware“ entdeckt, um Daten zu speichern. Etwa DNA – das in Form einer Doppelhelix angeordnete Makromolekül, in dem unsere genetischen Erbinformationen enthalten sind.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Speichermedien ist sie extrem lange haltbar, sofern man sie kühl lagert. Dazu ist sie keinem Technologiewandel unterworfen, der sie vielleicht in 300 Jahren nicht mehr auslesbar macht. Und sie bietet eine unerreichte Speicherdichte: Eine Million Terabyte passen in einen Kubikmillimeter DNA – das ist eine Million mal mehr als die besten konventionellen Speichermedien heute schaffen.

Ganz so einfach ist die Codierung allerdings nicht, denn zuerst muss der Binärcode aus Nullen und Einsen, wie man ihn beim Computer verwendet, in den biochemischen Code von DNA übersetzt werden. Die Speicherung dauert außerdem noch sehr lange und ist kostspielig, aber auch das dürfte sich mit dem technologischen Fortschritt ändern.

Künstliches Gewebe
Knorpel aus dem 3-D-Drucker

Inzwischen ist es auch möglich, biologisches Gewebe aus körpereigenen Zellen herzustellen. Eine neue Niere, ohne Spender, eine künstliche Hüfte aus eigenen Knochen? Dieser Vision sind Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB auf der Spur. In Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart konnten sie bereits eine Art „Biotinte“ für den Druck von Knochengewebe und Blutgefäße entwickeln, jetzt arbeiten sie an Knorpeln und Sehnen.

Schicht für Schicht drucken die Wissenschaftlerinnen mit der Tinte, die aus Biopolymeren wie Gelatine oder Hyaluronsäure, wässrigem Nährmedium und lebenden Zellen besteht, 3-D-Objekte, die zuvor am Computer programmiert wurden. Vielleicht werden Patienten mit einem Knorpelschaden im Knie also in Zukunft nicht nur auf erfahrene Ärzte, sondern auf ebenso kompetente Informatiker hoffen.

CO2 wird zum Rohstoff

Abseits der medizinischen Hoffnungen ist die Bio-IT ein Trumpf im Kampf um Klimaschutz und Artenvielfalt: Die moderne Landwirtschaft arbeitet jetzt schon stark datengetrieben und wird es in Zukunft noch mehr tun. Je präziser die Informationen über das Genom des Saatguts und eventueller Schädlinge, das Mikrobiom des Bodens und das lokale Wetter sind, umso besser. Denn desto genauer können Modelle in Zukunft Aussaat- und Erntezeitpunkte sowie nötige Mengen an Nährstoffen, Pflanzenschutzmitteln oder Wasser bestimmen.

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Photosynthese nachgebaut

Als ganz großer Wurf für eine CO2-neutrale Industrie gilt der künstliche Nachbau der Photosynthese: Aus Licht, Wasser und CO2 sollen nachhaltig Kohlenstoffverbindungen entstehen. Die Projekte stecken noch in der Grundlagenforschung, aber Wissenschaftler haben es schon geschafft, künstliche Chloroblasten herzustellen. Diese sind Teil von Pflanzenzellen und für die Photosynthese zuständig. Laut den Forschern können die künstlichen Chloroblasten CO2 sogar effektiver als natürliche umwandeln. Der Klimaschadstoff würde so zum wertvollen Rohstoff.

(Text: Iris Röll)

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