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Winzige Roboter

Winzige Roboter

Text-Quelle: Weserkurier vom 26.06.2018, Autor Martin Schäfer | Bild-Quelle: MPG, Das kleine längliche Bakterium und die deutlich größere Blutzelle fungieren gemeinsam als Nanoroboter.

Der Ausdruck Roboter geht auf ein tschechisches Wort für Fronarbeit zurück. Seit dem 1921 uraufgeführten Theaterstück „R.U.R.“ des tschechischen Schriftstellers Karel Čapek wird der Begriff allgemein für menschenähnliche Maschinen verwendet. In dem Stück übernehmen Roboter die Arbeit von Menschen. Als Roboter gebaut werden, die Gefühle empfinden, revoltieren sie und rotten das Menschengeschlecht aus. Wenn heute von Robotern die Rede ist, sind längst nicht mehr nur mehr oder weniger große Maschinen gemeint. Ein eindrucksvolles Beispiel hierfürliefert ein sogenannter Nanoroboter, der kürzlich von einer Forschergruppe um Metin Sitti vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart vorgestellt worden ist. Wenn der Zusatz Nano auftaucht, bedeutet dies, dass es um Größenordnungen von Nanometern geht, das heißt millionstel Millimetern. Der Nanoroboter der Stuttgarter Wissenschaftler besteht aus zwei Teilen, einer Bakterienzelle und einem roten Blutkörperchen. Am Bakterium der Art Escherichia coli (abgekürzt E. coli) hängen vier bis acht Geißeln, mit deren Hilfe sich das zweiteilige Gebilde über kurze Distanzen fortbewegen kann. Das rote Blutkörperchen enthält ein Medikament zur Krebsbekämpfung und außerdem noch magnetische Eisenoxidteilchen. Mit außerhalb des Körpers befindlichen Magneten ist es möglich, den Nanoroboter über größere Distanzen durch den Organismus zu steuern.

Aneinandergekoppelte Zellen

Um die Bakterienzelle und das rote Blutkörperchen miteinander zu verknüpfen, ist ein Kopplungsmechanismus erforderlich. Mit diesem hat sich eine Gruppe von Biologen um Victor Sourjik und Oliver Schauer vom Marburger Max-Planck-Institut fürterrestrische Mikrobiologie befasst. Der Mechanismus funktioniert vom Prinzip her ähnlich wie die Verbindung von Eisenbahnlokomotiven und -waggons. Die Kupplung besteht aus bestimmten biologischen Molekülen, die sowohl beim Bakterium als auch bei der Blutzelle auf der äußeren Zellmembran gebildet werden müssen. Mithilfe hochauflösender Mikroskope können sich Wissenschaftler ein Bild von den Bewegungen des Nanoroboters machen. Dabei lassen sich die Zellen gut unterscheiden, denn die Bakterienzelle ist deutlich kleiner und wirkt so, als klebe sie wie ein Anhängsel am Blutkörperchen. Dieses ist flexibel, lässt sich leicht deformieren und kann deshalb – vom Bakterium geschoben – auch durch Engpässe befördert werden, das heißt durch Öffnungen, die kleiner sind als der Durchmesser des Blutkörperchens. Während sich Sitti und seine Kollegen vor allem mit Nanorobotern befassen, geht es den Biologen aus Marburg in erster Linie um die Biochemie der Zelle. Ein biochemisches Prinzip der Zellnavigation ist beispielsweise die sogenannte Chemotaxis. Dank besonderer Rezeptoren sind Bakterien in der Lage, gewissermaßen zu riechen, wo die Konzentration bestimmter Stoffe, etwa Nahrung, zunimmt. Die Forscher streben an, sich diese Fähigkeit für das Navigieren über kürzere Entfernungen im Körper zunutze zu machen. So kann das Bakterium seine Fracht zum Beispiel in Richtung eines Krebsgeschwürs steuern, weil dort die Konzentration bestimmter Stoffe größer ist. Am Ziel angekommen, zerstört sich der Nanoroboter selbst, um nicht vom Immunsystem erkannt und attackiert werden zu können. Dies könnte unliebsame Nebenwirkungen hervorrufen. Metin Sitti und seine Kollegen Oncay Yasa und Yunus Alapan haben bereits einen entsprechenden Mechanismus eingebaut. Mit infraroter Strahlung kann der Schalter umgelegt werden. Ein Licht absorbierender Farbstoff in der Blutzelle nimmt Energie auf und führt zum Wärmetod des roten Blutkörperchens und des angekoppelten Bakteriums. Yunus Alapan erläutert den Hintergrund so: „Wir müssen das Bakterium sofort vernichten, um seine unkontrollierte Vermehrung zu verhindern. Wir wollen vermeiden, dass sich der Körper mit einer Immunreaktion verteidigt.“

Gebilde zerstört sich selbst

Aus Sicht von Sitti besitzen solche Nanoroboter auf biologischer Grundlage deutliche Vorteile gegenüber Nanorobotern aus Festkörpern. Das biologische Gebilde sei stabiler, deformierbar, biokompatibel und biologisch abbaubar. Betont hat der Wissenschaftler diese Eigenschaften kürzlich im Fachjournal „Science Robotics“. Letztlich greifen er und seine Kollegen bei ihrer ArbeitIdeender Natur auf.Auchimmenschlichen Blutstrom dienen die roten Blutkörperchen hauptsächlich dem Transport, nämlich von Sauerstoff und anderen Substanzen. Sie werden passiv im Blutkreislauf mitgetragen und durch kleinste Blutkapillaren gezwängt. Für die Nanoroboter eröffnen sich verschiedene Bewegungsmöglichkeiten: zum einen über große Distanzen mithilfe von Magnetfeldern und zum anderen über kurze Distanzen mithilfe der Chemotaxis. Für die Zukunft planen die Forscher, ihren Nanoroboterim Darm oderim Magen zu testen. Derzeit laufen sämtliche Versuche noch unter dem Mikroskop und auf Teststrecken im Reagenzglas.

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