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Wohin führt die Verbindung von Nanoelektronik und lebenden Zellen?

Lieber: Zellen können Nanodrähte in ihr Inneres aufnehmen – wir wollen damit eine Kommunikationsbrücke zu Zellen aufbauen, die vom biologischen System nicht zu unterscheiden ist. Damit könnten wir Zellaktivitäten und -reaktionen auf Medikamente in Echtzeit verfolgen. Wenn ein Protein an eine Zelle andockt oder sich ein Ionenkanal öffnet oder schließt, könnte das ein Nanotransistor messen. Auch könnte eine Sensoreinheit das Blut kontinuierlich auf Biomarker für Krankheiten von Grippe bis Krebs überprüfen und automatisch die Verabreichung von Medikamenten steuern – ähnlich wie dies bei Diabetes bereits gemacht wird. Stellen Sie sich vor, wir könnten Herz- oder Krebspatienten ein kleines Stück Gewebe einpflanzen, das eine Sensor- und Kontrollfunktion hat und mit einem System zur Medikamentenabgabe verbunden ist – das ist die Vision.

Wie arbeiten Sie an ihrer Umsetzung?

Lieber: Wir haben Nanostrukturen aus Halbleitermaterialien hergestellt, die als Feldeffekttransistoren wirken – und zwar genau am Knick eines Nanodrahtes (Bild links). Wie ein Arm ist dieses System dreidimensional beweglich. So ein Draht kann in eine Zelle eindringen oder sie an einem Punkt, etwa einem Rezeptor oder Ionenkanal, berühren. Damit können wir erstmals direkt abfragen, was in einer Zelle vor sich geht – und zwar ohne ihre Funktion zu stören, wie Untersuchungen gezeigt haben. Das eröffnet völlig neue Möglichkeiten.

Zum Beispiel?

Lieber: Aus diesen 3D-Systemen können wir Strukturen formen und sie mit Gewebe verbinden. So etwas könnte künftig ins Herz oder Gehirn eingebettet werden und Zellaktivitäten in Echtzeit beobachten und regeln – hier geht es also um neuartige Prothesen. Doch diese Vision geht über den heutigen Stand der Wissenschaft deutlich hinaus. Bisher sind nur relativ dicke – einige hundert Mikrometer starke – Drähte getestet worden, die Narben verursachen und nicht sehr haltbar sind. Unsere Forschung hat aber erstmals gezeigt, dass man selbst auf der subzellulären Ebene Kontakt zu Neuronen aufbauen kann (siehe Artikel „Von der Natur inspiriert“, Pictures of the Future 1/2003).

Welche Auswirkung könnte dies für die Entwicklung von Nanocomputern haben?

Lieber: Ein nächster Schritt könnte eine neue Art von Hybridmaterial sein: ein lebendes Netz aus Zellen, das zugleich elektronische Signale verarbeitet und Berechnungen durchführt. Wir fragen uns etwa, ob Moleküle an Nanodrähte andocken und so über einen messbaren Spannungswechsel An-/Aus-Befehle produzieren können. Jedes An- und Abdocken würde einer Null oder Eins in der Computerlogik entsprechen. Ziel dabei ist es, digitale Computer über Nanobauteile mit Nervenzellen zu verbinden, um so neue Rechensysteme mit einzigartigen Fähigkeiten zu schaffen. Das ist vorerst nur eine Idee, aber ich möchte nicht so sehr an Dingen arbeiten, von denen man schon weiß, dass sie funktionieren. Da draußen gibt es noch so viel Unbekanntes – die Verbindung von Nanowissenschaften und Biologie ist eines davon.

Welche Anwendungen sehen Sie dafür?

Lieber: Systeme, die im Körper arbeiten. Nanosensoren benötigen Energie – zelluläre Energie aus den Mitochondrien wäre dafür eine mögliche Quelle, an der wir gerade arbeiten. Wir denken an so etwas wie künstliches Gewebe, das Energie direkt vom Körper bezieht.

Welche Auswirkungen sehen Sie für die Umweltsensorik oder Gesundheits- und Sicherheitstechnologien?

Lieber: Die Probleme sind sehr ähnlich, ob man nun Zellaktivität im Körper misst oder nach gefährlichen Organismen in der Umwelt sucht. So lassen sich Varianten des gleichen Virus über Veränderungen der Molekülstruktur unterscheiden, die wiederum etwa die Effektivität und Geschwindigkeit von Andockvorgängen beeinflussen.

Welchen Zeitrahmen sehen Sie für die Entwicklung dieser Technologien?

Lieber: Sensorsysteme, die Hunderte von Biomarkern für spezifische Krankheitsrisiken beobachten, könnten in fünf Jahren zur Marktreife kommen. Implantate, die eine Schnittstelle zum Gehirn schaffen können, werden vielleicht in fünf Jahren in die Phase der Tierversuche gehen. Eine Anwendung am Menschen braucht hingegen sicher noch zehn Jahre.