Melden Sie sich hier an, um auf Kommentare und die Whitepaper-Datenbank zugreifen zu können.

Kein Log-In? Dann jetzt kostenlos registrieren.

Falls Sie Ihr Passwort vergessen haben, können Sie es hier per E-Mail anfordern.

Der Zugang zur Reseller Only!-Community ist registrierten Fachhändlern, Systemhäusern und Dienstleistern vorbehalten.

Registrieren Sie sich hier, um Zugang zu diesem Bereich zu beantragen. Die Freigabe Ihres Zugangs erfolgt nach Prüfung Ihrer Anmeldung durch die Redaktion.

25.04.1986 - 

Elektronik, Biochemie und Gentechnik bald in einem Boot:

Biochip schafft echte Schnittstelle zwischen Mensch und Technik

Immer kleiner, immer schneller, immer mehr - das sind die Hauptziele der Mikroelektronik. Es geht um die Steigerung der Systemleistung bei sinkenden Kosten und um die Verkleinerung der Strukturen. Bei der Siliziumchip-Herstellung zeichnen sich jedoch die technischen Grenzen ab.

Darum geistern zunehmend Begriffe wie Biochip oder Biocomputer durch die Lande. Denn Biologische Systeme sind auch Vorbild für die EDV, weil sie mit ihrer Leistungsfähigkeit, Packungsdichte, Organisation und Wirtschaftlichkeit bisher unerreichbare Eigenschaften aufweisen.

Mit der "Bioelektronik" befaßte sich vor drei Jahren eine Gruppe von Wissenschaftlern in einer Studie für das Bundesministerium für Forschung und Technologie ("Bioelektronik und Molekularelektronik", Studie des Lehrstuhls für Integrierte Schaltungen an der TU München, von Professor Dr. Ingolf Ruge, Dr. Franz Riedlberger, Diplomphysiker Toni Näbauer und Diplomingenieur Peter Berg für das BMFT, Oktober 1983). Für Toni Näbauer ist die Bezeichnung Bioelektronik zu "verwaschen", er verwendet lieber den Begriff Molekularelektronik: "Hierum handelt es sich, wenn Schalter auf molekularer Ebene arbeiten, denn da schaltet wirklich das ganze Molekül." Den Wissenschaftszweig Bioelektronik an sich gibt es für Toni Näbauer eigentlich gar nicht: "Darunter kann man eher Biosensoren und Implantate verstehen."

In der BMFT-Studie wird für Biosensoren folgende Definition vorgeschlagen: Biosensoren sind Sensoren zur Detektion meist biochemischer oder biologischer Stoffe, die mit Hilfe biochemisch (Enzyme) oder biologisch (Mikroben, Antikörper) wirkender Komponenten physikalische Effekte oder Substanzen hervorbringen, die ihrerseits direkt oder indirekt über weitere Zwischenreaktionen in den Sensoren elektrische Ausgangsgrößen erzeugen."

Während man sich also unter Biosensoren die Vereinigung eines biologischen Moleküls - meistens ein Enzym - mit einem sogenannten Signalumformer vorstellen muß, dessen Signale von einem Computer analysiert und ausgewertet werden, ist zum Beispiel ein Herzschrittmacher im weitesten Sinne ein elektronisches Implantat. Oder wie es Toni Näbauer noch allgemeiner formuliert: "Man kann sich vorstellen, daß Implantate Nervenzellen ersetzen und so vielleicht die Hör- und Sehfähigkeit verbessern. Doch dies sind Zukunftsvorstellungen, solche Implantate gibt es bisher noch nicht."

Ebenso existieren für den Münchner Diplomphysiker noch kein "Biochip" oder "Biocomputer". Bestätigt wird dies durch die Tatsache, daß auf Anfrage bei Computerherstellern, ob sie sich damit befassen, überall ein Nein zu hören ist. Selbstverständlich kennen alle den Begriff, doch genauere beziehungsweise nähere Erklärungen dazu gibt es keine.

Was muß man sich nun eigentlich unter einem Biochip oder Biocomputer vorstellen? Prinzipiell versteht man darunter einen Computer, der aus Eiweiß (Protein) aufgebaut ist. Dies bedeutet im einzelnen: Um computertauglich zu sein, müssen außer der Fähigkeit, Strom zu leiten, auch noch weitere Voraussetzungen erfüllt sein. So muß das verwendete Material schaltbar und verstärkerfähig sein sowie das Schreiben und Lesen von Informationen zulassen.

Das Eiweiß wäre eine solche stromführende Komponente, könnte also als ein binäres Speicherelement eingesetzt werden. Bisher befaßt sich die Halbleitertechnologie fast ausschließlich mit anorganischen Halbleitern, obwohl bekannt ist, daß es organische Halbleiter gibt, die vielversprechende elektrische Eigenschaften aufweisen. Folglich wäre so ein Biocomputer also ein Rechner, dessen Rechenwerk aus organischen, auf einem winzigen Plättchen gewachsenen Molekülen besteht. Die heutigen VLSI-Chips (Very Large Scale Integration) haben bei einer Höchstintegration eine Million Schaltelemente auf einem Quadratzentimeter, wobei dies auf Strukturen von 1 Mikrometer (ein Millionstel Meter) beruht. Aus heutiger Sicht haben bei Abmessungen um einen Mikrometer die elektronischen Schalt- und Speicherelemente die untere technisch machbare Größe erreicht. Auf demselben Raum hätten dagegen Hunderte von Proteinmolekülen Platz, wobei jedes von ihnen die Aufgabe eines Schaltelements wahrnehmen könnte. Hinzu kommt außerdem noch, daß bei einem herkömmlichen Chip eine zweidimensionale Anordnung vorliegt, wogegen bei einem Eiweißmolekül durch eine dreidimensionale Anordnung noch ein weiterer, zumindest theoretisch denkbarer Verzögerungsfaktor hinzukommt. Ein solcher "molekularer Chip" bietet also Möglichkeiten, die noch gar nicht genau abzuschätzen sind. Sollte es gelingen, eine dreidimensionale integrierte Schaltung auf molekularer Ebene herzustellen, so wäre ein Bauelement vorhanden, das heutige VLSI-Schaltungen in der Leistungsfähigkeit um Größenordnungen übertrifft.

Doch auf die Frage, ob beziehungsweise wann so ein Biochip produziert werden könnte, kommt aus dem Hause des Chipherstellers Valvo die Antwort: "Wir leben noch vom Silizium und freunden uns gerade mit Gallium-Arsenid an. Der Biochip ist noch Zukunftsmusik."

Doch warum der Begriff Biochip geprägt wurde beziehungsweise woher er eigentlich stammt, dazu meint Karlheinz Kreuzer, zuständiger Referent am Bundesforschungsministerium (BFMT), daß der Name zwei Ursprünge hat: "Biochip kommt vielleicht daher, weil sich die Elektronik immer mit kleinen Strukturen - Stichwort Miniaturisierung - beschäftigt und andererseits die Biotechnologie in Bereiche vorstößt, wo Strukturen vielleicht durch elektronische Schaltelemente ersetzt werden oder solche elektronischen Bauteile diese Funktionen übernehmen könnten."

Züchtung biologischer Mikroschaltkreise

Einen ähnlichen Zusammenhang sieht der Amerikaner John Diebold von der Diebold-Gruppe, New York, wobei er auf dem Diebold-Kongreß vergangenes Jahr in Frankfurt die Informations- und die Biotechnologie als Schlüsseltechnologien der Zukunft bezeichnete. Für ihn gibt es zwei Möglichkeiten ihrer Zusammenführung: Zum einen in der Übernahme des Konzepts ähnlich der Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn, zum anderen in der Entwicklung molekularer Schaltkreise nach dem Vorbild der in Organismen ablaufenden Informationsprozesse.

Für den Diplomingenieur Helmut Mangold ist die Vorstellung, aus Protein einen biologischen Mikroprozessor herzustellen - der amerikanische Wissenschaftler Kevin Ulmer nennt dies "protein-engineering" - noch Science-fiction. Er arbeitet am Forschungsinstitut der AEG in Ulm und beschäftigt sich mit der akustischen und optischen Informationsverarbeitung sowie mit der Informationsverarbeitung im Gehirn. Erkenntnisse und Erfahrungen aus diesem noch in den Anfangen steckenden Forschungsgebiet tauscht er mit Kollegen im Fachausschuß "Biomedizinische Nachrichtentechnik" im Verband Deutscher Elektrotechniker (VDE) aus, dessen Leiter Helmut Mangold ist. Für ihn ist sonnenklar, "daß der Rechner im Jahr 2000 bestimmt nicht aus einer lebenden Zelle besteht". Er verbindet mit dem Begriff Biocomputer ebenfalls bioelektronische Technologien, also Implantate und Biosensoren: "Natürlich orientieren sich unsere Forschungen am Menschen, an der Natur. Und das nennt man ja auch Bionik."

Eng verwandt damit ist "Bio-Engineering", mit dem sich der Neurokybernetiker Günther Palm vom Max-Planck-Institut in Tübingen befaßt: "Im Grundsatz geht es darum, Prinzipien der Biologie auf die Technik zu übertragen, oder anders ausgedrückt, das, was die Natur macht, als Idee für die Technik zu nutzen." Der Tübinger Wissenschaftler will aus reinen Erkenntnisinteressen die Informationsverarbeitung im Nervensystem oder im Gehirn verstehen. Durch die Neurowissenschaft könnten Elemente der künstlichen Intelligenz in die Computertechnik eingebracht werden, das heißt, die Computer könnten gehirnähnlicher werden. Der Vorteil: Computer könnten dann, wie das Gehirn, Informationen statt wie bisher nacheinander (seriell) nun parallel verarbeiten und wären damit natürlich schneller. Doch seit einigen Jahren gibt es neben den drei Zielen der EDV - Miniaturisierung, Schnelligkeit, vergrößerte Speicherkapazität - noch ein viertes Ziel. Es heißt Reproduzierbarkeit. Die bisher nur theoretisch mögliche, doch praktisch noch unmögliche Umsetzung stammt von dem bereits erwähnten Amerikaner Kevin Ulmer. Er ist der Meinung, daß so ein Biocomputer sich selbst bauen, programmieren und reproduzieren kann. Dahinter steckt die Vorstellung, daß mit gentechnischer Hilfe (Einsatz von Bakterien) solche biologischen Mikroschaltkreise "gezüchtet" werden könnten. Der Bauplan dazu wäre dann ähnlich dem genetischen Code in DNA-Molekülen codiert. Signale in diesem biologischen Mikroprozessor würden dann nicht mehr wie bisher durch bewegte Elektronen und Löcher übertragen und verarbeitet werden, sondern die Träger wären vielmehr organische Moleküle oder Molekülpaare. In diesem digitalen organischen Speicher gibt es dann Moleküle, deren stabile Zustände durch die Lage einer leichtbeweglichen Atomgruppe im Molekülkomplex zum übrigen Molekül gekennzeichnet sind. Solchen zwei stabilen Zuständen werden dann quasi die digitalen Zustände "0" und "1" zugeordnet.

Der Anwendungsbereich solcher Biochips hätte folgende Vorteile:

- Miniaturisierung beziehungsweise Realisierung von mehr Funktionen als bisher;

- Reproduzierbarkeit solcher organischen Moleküle beziehungsweise Herstellung durch Bakterien (protein-engineering);

- Biosensoren als fehlender Organersatz oder-verlust;

- Implantate.

Die "Dreierhochzeit" zwischen Elektronik, Biochemie und Gentechnik wird nach Meinung von Experten noch 20 bis 100 Jahre dauern, vielleicht aber auch ewig auf sich warten lassen. Das Vorhaben sei "vergleichbar mit einer Reise zum Mond", meint J. H. McAlear, President der amerikanischen Erfinderfirma EMV in Rockville. Sie will die erste sein, die mit gentechnischer Hilfe biologische Mikroschaltkreise herstellen will, und ist überzeugt: "Bis 1990 haben wir einen Kontakt zwischen Gehirnzellen und neuartigen Computerchips entwickelt." Ermöglicht so ein Biocomputer vielleicht einmal, daß das menschliche Gehirn dereinst alles das sehen, hören und fühlen kann, was ihm der Computer so übermittelt? Bloßes Hirngespinst oder utopische Realität?

Professor Hans Sixl von der Universität Stuttgart, der im DFG-Sonderforschungsbereich "Grundlagen der Molekulargenetik" arbeitet, hält alles, was mit dem Bereich Biochip oder Biocomputer zu tun hat, "mehr oder weniger noch für eine nette Spekulation". Er meint: "Es geht bisher nur um reine Grundlagenforschung. Es gibt allerdings Moleküle, die Computerfunktionen ausführen können. Diese Moleküle haben sogenannte photochrome und/oder elektrochrome Eigenschaften." Bei photochromen Molekülen wird optisch mit Licht von einem in den anderen Zustand geschaltet (Opto-Computer) das heißt, durch das Licht findet innerhalb des Moleküls eine Bindungsumlagerung statt. Man spricht dann von einem bistabilen Molekül - es besitzt zwei Zustände. Es gibt auch tristabile, ja sogar multistabile Moleküle, also in drei oder noch mehr Zu ständen kann ein Molekül vorkommen.

Bei elektrochemischen Molekülen werden Zustandsänderungen durch den elektrischen Strom erreicht. In diesem Fall findet eine Be- und Entladung statt. Dazu Professor Hans Sixl: "Bei solchen Zustandsänderungen untersuchen wir zum Beispiel die Schnelligkeit, das Schaltvermögen und die chemischen Eigenschaften." Um letztendlich einen Biochip oder Biocomputer zusammenbauen zu können, der dann Signale transportieren kann, braucht man natürlich sogenannte polymere oder molekulare Drähte, also, vereinfacht gesagt, Leiter.

Wissenschaftliche Untersuchungen und Forschungen auf dem weiten Feld der Bioelektronik gibt es inzwischen vermehrt. Um diesen sich neuentwickelnden Wissenschaftszweig zu fördern, hat die Bundesregierung auch verschiedene Vorhaben und Pläne in die Wege geleitet. So kann man in der l984 vom BMFT herausgegebenen Broschüre "lnformationstechnik" unter dem Kapitel "Elektronische Bauelementeö lesen, daß für einen Förderschwerpunkt "Neue Bauelemente-Techniken", der auf neuartige Konzepte von Bauelementen gerichtet ist, die nicht auf der üblicherweise verwendeten Siliziumbasis aufbauen (beispielsweise neue Halbleitermaterialien, Erschließung der Molekulartechnologie), rund 200 Millionen Mark Forschungsgelder innerhalb der nächsten Jahre bereitgestellt werden. Darüber hinaus wird im Biotechnologieprogramm der Bundesregierung unter dem Kapitel "Neue Gebiete angewandter Biologie" in einem gesonderten Punkt "Bioelektronik" und "Bionik" die Notwendigkeit biotechnischer Verfahrensentwicklungen im Zusammenhang mit der Mikroelektronik aufgezeigt.

Allerdings liegen im Bereich der Produktion von chemischen Stoffen oder Lebensmitteln mit Hilfe von Bakterien schon große biochemische Erfahrungen vor. Doch bis zur Züchtung von biologischen Mikrospeicherchips mittels solcher Bakterien wird noch ein weiter Weg zurückzulegen sein.

Dieser Meinung ist auch der Münchner Toni Näbauer. Er geht sogar noch einen Schritt weiter. Er ist auch skeptisch gegenüber den augenblicklichen Aktivitäten hinsichtlich des Ersatzes von Silizium durch Gallium-Arsenid: "Die Herstellung und Handhabung eines solchen Chips ist natürlich viel schwieriger und komplizierter als bei einem Siliziumchip. In Fachkreisen gibt´s dazu den Spruch: ´Galliurm war, ist und wird immer das Material der Zukunft sein´.

Datapoint-produkte

Datapoint befaßt sich mit kommerzieller EDV, lokalen Netzen, Büroautomation und industriellen Anwendungen. Branchenlösungen bietet die Firma für die Hotellerie, das Transportwesen sowie für Werbeagenturen an.

Die Produktpalette reicht vom VISTA COLOR PC (MS/DOS) über das System 3200 (UNOS) zu den Systemen 8600, 8800 (RMS/DOS), die alle vernetzungsfähig sind. Mit dem lokalen Netz ARC lassen sich bis zu 255 Prozessoren betreiben. Netze können untereinander verbunden werden, und mit dem INX-Board (Intelligent Network Controller) läßt sich auch der IBM PC im ARC integrieren.

Für die Massendatenerfassung (...)tet Datapoint das System GEN V an. Eine große Palette von Kommunikationssoftware (SNA, 3270, 3780, X.25, Teletex etc.) ermöglicht den Verkehr über öffentliche Leitungen oder mit Fremdprodukten.

Die PRO-VISTA-Software deckt die Bedürfnisse der Büroautomation ab; das neue Kommunicationssystem MINX ermöglicht gleichzeitig Datenverarbeitung und Telekonferenzen.

Walter Naumann. Walter Naumann ist freier Journalist in Deizisau.