Die Hochzeit von Leben und Technik

Alltag in der Nanotechnologie

Wo das Leben beginnt, legt jede Geistes- und Naturwissenschaft für sich selbst fest. Für Dr. Peter Quick, Geschäftsführer der Promega GmbH, sind Proteine „der erste echte Ausdruck des Lebens“. Sie sind die ersten Produkte von DNS und RNS und skalieren das Leben über Zelle, Gewebe und Organe bis hin zu komplexen Wesen.
Auf der molekularen „Zwergenebene“ treffen sich seit kurzem „Bios“, das Leben, und Technik, beispielsweise in Form von Zahnrädern, die kleiner als Ameisenköpfe sind. Dort widmen sich in der miniaturisierten Biotechnologie die neuesten wissenschaftlichen Visionen der Nanotechnik.
Nano kommt aus dem griechischen und heißt Zwerg. Was allerdings noch reichlich überdimensioniert ist, denn der Punkt am Ende dieses Satzes könnte rund fünf Millionen Kohlenstoffatome umfassen. Fünf davon sind so groß wie ein Nanometer: ein Milliardstel Meter - oder eine Glasmurmel im Verhältnis zur Erde.
Vor gut 20 Jahren war ein Atom für die Wissenschaft noch überhaupt nicht sichtbar und mittlerweile werden elektronische Schalter gebaut, bei denen Elektrizität nur zwischen zwei einzelnen Elektronen fließt.

Der „andere“ Kosmos
Das faszinierende an der Nanotechnik sind nicht nur die Bilder, mit denen die Öffentlichkeit der neuen Technik begegnen kann, sondern der „andere“ Kosmos, der auf die kleine Welt wirkt. Die Teilchen unterliegen nicht mehr den Naturgesetzen der klassischen Physik, sondern der Quantenmechanik.
Chemisch gesehen verändern kleine Teilchen bei ihrer riesigen Oberflächenvergrößerung ihren Schmelz- und Siedepunkt. Die chemische Reaktivität nimmt zu und die katalytische Ausbeute ist größer. Und die Zwergenwelt bietet für jeden etwas: Für Physiker, Pharmazeuten, Chemiker, Mediziner, Technologen oder auch Ernährungswissenschaftler.

Per Nanotaxi durch die Haut Die Pharmakologen der Freien Universität Berlin arbeiten an Molekülen mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften, um daraus stabile Nanopartikel zu machen. In diese Teilchen sollen Wirkstoffe gegen Schuppenflechte, Akne, und aktinische Keratose (Vorstufe des hellen Hautkrebs) eingebunden werden, weil Prof. Dr. Monika Schäfer-Korting, Leiterin der Abteilung Pharmakologie und Toxikologie des Instituts für Pharmazie, herausgefunden hat, dass an Nanopartikel gebundene Wirkstoffe besser in die Haut dringen. Zwei Nanopartikel geben dem Wirkstoff einen besseren Halt und setzen ihm am Ziel ab. Sie binden innen kleine Fettmoleküle, die den Arzneistoff verankern. Ist das „Nanotaxi“ in der Zielzelle angekommen, soll es sich auflösen und die Arznei kann ihre Wirkung entfalten. roRo

Die Ökonomie der Winzlinge
Die Halbleiter haben es in der Geschichte der Technik längst vorgemacht. Auf dem Workshop Nanotechnologie fasste Geschäftsführer Dr. Christoph Gauer von der Advalytix GmbH aus Brunnthal mit dem „Mooreschen Gesetz“ die Chipentwicklung zusammen: Nahezu linear stieg die Anzahl der Transistoren je Chip von einem Kilobit 1970 bis auf den 1-Gigabit-Chip im Jahr 2000. Umgekehrt hat dabei die Strukturgröße des Speicherchips von 10 Mikrometer auf 100 Nanometer abgenommen und in diesem Jahr liegt die Messlatte für einen 4-Gigabit-Chip bei 70 Nanometer. Die Zielrichtung ist klar: Die Miniaturisierung erhöht die Informationsdichte der Speicher, die Computerleistung und die Austauschrate zwischen den Schaltungen. Gleichzeitig verringert sie den Energieverbrauch und das Gewicht der Geräte.
Vergleichbare Innovationskräfte gibt es auch in der Medizin. Für Blutuntersuchungen werden weitläufig Automaten eingesetzt, die Blut- oder Harnproben mit zwei chemischen Reagenzien versetzen und das Ergebnis optisch auslesen. Fast ohne menschliche Arbeitskraft. Könnten diese Apparate mit geringerer Probengröße auskommen oder auch generell verkleinert werden, dann wären sie auch für kleinere Kliniken erschwinglich. Hier greift die „Economy of Scale“ einmal in die andere Richtung.
Aber es ist nicht nur die Kostenersparnis, die Pharmazeuten in die Miniaturisierung treibt. Es ist auch die Suche nach Markern für die Früherkennung menschlicher Erkrankungen. Das Ziel ist die Zelle, in der ein kompletter Chromosomensatz des Menschen für die Untersuchung vorliegt.
Während heute sehr viel Geld in die Heilungstechnik investiert wird, obwohl dann die Krankheit bereits ausgebrochen ist, könnte eine Früherkennung - vor Ausbruch der Krankheit - sinnvoller sein, meint Dr. Gauer. Vorbild ist die PCR-Methode, die Polymerase-Kettenreaktion: Hier finden Moleküle ein bekanntes Schnipsel in einer Probe und sei es auch noch so klein. Sie kopieren dann den Schnipsel so oft, bis das die Labortechniker es auch sieht. Diese Methode findet in der Lebensmittelanalytik bei der Suche nach Allergenen oder gentechnisch veränderten Sequenzen eine wichtige Rolle.
Nanotechnik könnte das zu untersuchende Volumen um den Faktor 10 verkleinern. Ziel: Die Zelle als Petri-Schale der Natur mit einem Untersuchungsvolumen von einem Picoliter.

Nano-Initiative-Aktionsplan 2010 Hinter diesem sperrigen Wort versteckt sich die „Hightech-Strategie“ der Bundesregierung. „Wir dürfen keine Angst haben, zu gewinnen“, sagte Bundesforschungsministerin Annette Schavan letzte Woche und will mit einem Innovationswettbewerb die führenden Nationen USA und Japan herausfordern. Im vergangenen Jahr wurden 310 Millionen Euro für Forschung und Entwicklung der Nanotechnologie investiert. In diesem Jahr sollen es 330 Mio. € werden. Für 2015 wird das Potenzial für auf Nanotechnologie basierender Produkte weltweit auf über eine Billion Euro geschätzt. Mehr unter: www.bmbf.de/pub/nano_initiative_aktionsplan_2010.pdf roRo

Deutschland schon abgehängt?
Für die Entwicklung eines neuen Medikaments gibt die Pharmaindustrie rund 800 Mio. US-Dollar aus, braucht bis zu 12 Jahre für klinische Prüfungen und meldet dann nur etwa 9 Prozent für die Zulassung an. Im allgemeinen wirken Medikamente nur bei etwa 40 bis 60 Prozent der Bevölkerung, haben Nebenwirkungen und die Firmen leiden unter Nachahmern und Generika. Dr. Quick sieht Biotechnikfirmen als geeigneten Partner für Pharmafirmen an, denn sie können mit neuer Technik die Lücke zwischen steigenden Kosten und sinkendem Forschungsergebnis schließen.
Stichwort „Personalisierte Medizin“. Wie reagiert ein Mensch auf ein bestimmtes Medikament: durchschnittlich, überempfindlich oder sehr gut, so dass es für eine Therapie geeignet ist?. Es gibt 30 Varianten bei zwei bestimmten Genen, die für den Abbau von Medikamenten verantwortlich sind und die Unterschiede zwischen den Wirkweisen ausmachen. Die Nanotechnik kann es ermitteln.
Aber die meisten Firmen sind in den USA. Dort erzielen 363 Firmen 71,5 Milliarden US-Dollar Umsatz und erreichen eine Marktkapitalisierung von 490 Milliarden $. In Europa gibt es 125 börsennotierte Firmen mit einer Marktkapitalisierung von 59 Milliarden $. Deutschland steht hier nach der Schweiz und Großbritannien mit 16 Firmen auf dem Dritten Platz.

Risiken
Jede neue Technik birgt auch Risiken. Bei der Verkleinerung der Probengröße bleibt die Frage, ob das Zielmolekül auch tatsächlich hinreichend gefunden werden kann. In den meisten Fällen ja, aber nicht immer, grenzte Dr. Grauer ein. Man müsse auch noch die Qualität der Präzision bewerten, damit Ergebnisse hinreichend aussagekräftig sind.
So faszinierend neue Lacke für ein Auto sind, die nie schmutzig werden und ungeahnte Lichtreflexe aufweisen oder Moleküle die viel effizienter Sonnenlicht für die Energieversorgung einfangen und speichern können – je näher die Technik den Menschen kommt, desto mehr skeptischer wird er.
Er wird letztlich nach individuellem Nutzen entscheiden. Der Workshop ist überwiegend medizinisch ausgerichtet gewesen. Die Krankheitsheilung hat einen großen Nutzen für den einzelnen. Welchen Nutzen hingegen Titanoxid hat, um Schokolade haltbarer zu machen, wird nicht mehr so ungeteilt hingenommen werden. Schließlich sind die Teilchen auch so klein, dass sie möglicherweise die Blut-Hirn-Schranke überwinden können.
Kühlschränke mit Silberionen sollen Haushalten helfen, die Keimbelastung zu verringern. Nanopartikuläres Silber wirkt in der Tat biozid – aber nur, wenn es nicht in zu großen Komplexen vorliegt. Kann es sich nicht aus den Komplexen lösen, dann wirkt es auch nicht gegen Keime – und Verbraucherschützer haben bereits darauf hingewiesen, dass die Küche kein keimfreier OP-Saal sein muss.
Nach Prof. Dr. Horst Weller, der in Hamburg ein Institut für Nanotechnologie aufbaut, wirken Liposome aus Lecithin auch wie Nanopartikel. Die sind bereits als E322 für Lebensmittel zugelassen.
Die Nanotechnologie sollte sich von „Scharlatanen“ fern halten, die gute Ideen in Verruf bringen können: wie der Marketing“experte“, der einst „kalorienfreies Mineralwasser“ auf den Markt gebracht hat. Das verunsichert nicht nur die Verbraucher, sondern sorgt für unnötigen Gegenwind. Denn die Nanotechnologie kann durchaus helfen eine Welt zu gestalten, die in näherer Zukunft nicht nur auf fossile Energieträger, sondern auch auf Rohstoffe wie Eisenerz oder Phosphor verzichten muss.
Um Licht in die Zukunft zu bringen wird in der nächsten Woche das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) das Verbrauchervotum über Nanotechnologie vorstellen.

Roland Krieg