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Künstliche Lebewesen aus der Retorte

Die synthetische Biologie ist ein junger Forschungszweig, der sich anschickt, in einer Art zweiter Schöpfung nach vier Milliarden Jahren ein künstliches Lebewesen aus der Retorte zu erschaffen. Forscher wie Tom Knight, Drew Endy und Randy Rettberg (MIT Cambridge, USA) entwerfen nach dem Legoprinzip zunächst modulare biologische Bausteine die sogenannten »BioBricks«. Diese Biobricks erfüllen definierte biologische Aufgaben, analog den elektronischen Schaltkreisen, wie sie in Mikroprozessoren (Computer) zu finden sind.

Biobricks befinden sich in der experimentellen Phase und werden bereits in die »Baupläne des Lebens« von Bakterien eingebaut. In ersten Erfolgen hat die kalifornische Firma LS9 das Darmbakterium Escherichia coli reprogrammiert. Nun erzeugt das Bakterium Biosprit aus Mais-Sirup und Zuckerrohr.

Als Bauplan des Lebens oder DNA bezeichnet man ein in allen Lebewesen vorkommendes Biomolekül, welches die komplette Erbinformation (Genom) trägt. DNA besteht aus zwei parallelen Strängen, die einander schraubenartig umlaufen (Doppelhelix). Die Stränge sind durch Sprossen miteinander verbunden. So eine Sprosse wird als Basenpaar bezeichnet, weil sie aus zwei sich ergänzenden Basen und einer Wasserstoffbrücke gebildet wird. Chemisch gesehen handelt es sich bei der Base um ein Nukleotid, welches zu den vier Gruppen der Biomoleküle gehört. Ein Basenpaar stellt die unterste Informationseinheit der DNA dar und entspricht zwei Bit herkömmlicher Information. Die Abschnitte der DNA, welche die Information über die einzelnen Erbanlagen enthalten, werden Gene genannt. Bei Katzen kann beispielsweise ein Gen das Merkmal kurzer oder langer Schwanz bedeuten, ein anderes Gen braunes oder weißes Haar. Menschen besitzen ca. 25.000 Gene mit 3 Billionen Basenpaaren, ein Bakterium 500 bis 7000 Gene mit 1 – 10 Millionen Basenpaaren.

Video: Craig Venter (in englisch)

Schöpfung oder bekanntes Verfahren?

Einer, dem es kürzlich gelungen ist, das komplette Erbgut eines Bakteriums im Labor synthetisch herzustellen und zusammenzusetzen, ist der US-amerikanische Biochemiker Craig Venter. Venter hatte sich bereits früher einen Namen gemacht, als er im Jahr 2000 das menschliche Genom entschlüsselte. Auch wenn die Synthese von DNA unter den Forschern als allseits bekanntes Verfahren gilt, ist das von Venter erzeugte synthetische Genom mit rund 500.000 Basenpaaren nach seinen Angaben zwanzig Mal größer als alles, was man bisher zusammenhängend produziert hat.

Im nächsten Schritt will Venter das synthetische Genom in eine lebende Bakterienzelle einschleusen. In dieser soll es anstelle des natürlichen Genoms die Kontrolle übernehmen. Dadurch würde er nach seiner Ansicht einen neuen künstlich hergestellten Organismus schaffen. Das wäre ein Durchbruch gegenüber der herkömmlichen Gentechnologie, die nur einzelne Gene verändern kann, aber nicht ganze Gen-Systeme.

Komplette biologische Systeme nach Maß

Noch einen Schritt weiter geht das Zusammenstellen kompletter biologischer Systeme aus Biobricks nach Maß. Die Forscher am Massachusetts Institute for Technology (MIT) haben, um das Ziel zu erreichen, schon mehr als zweitausend Biobricks in einer Datenbank gesammelt. Wie Elektroingenieure ein Schaltbild aus elektronischen Komponenten am Reißbrett zeichnen, wollen die MIT-Zellingenieure nun aus den Genabschnitten der Biobricks komplette Gen-Systeme zusammenstellen. Das so entworfene Genom wird nach Plan produziert und anschließend sollen leere Zellhüllen mit dem künstlichen Erbgut bestückt werden. Das auf diese Weise künstlich geschaffene »Lebewesen« soll dann die geplanten Substanzen produzieren, beispielsweise Biokraftstoffe, Medikamente oder Biokunststoffe.

Kritiker wie Professor André Rosenthal sind allerdings der Ansicht, dass man von der Schaffung künstlichen Lebens noch Jahrhunderte entfernt ist. Rosenthal ist Leiter der Signature Diagnostics AG in Potsdam, die Gen-Tests zur Krebs-Früherkennung erstellt. Auch wenn das Genom synthetisiert werden kann, ist doch die Hülle der Zelle nicht künstlich hergestellt und das ist für ihn entscheidend. Nach seiner Meinung wäre Craig Venters Arbeit nur interessant, wenn er eine künstliche Zelle mit den entsprechenden Zellorganellen im Reagenzglas erzeugen könnte. Wie die Zeitschrift »Bild der Wissenschaft« in ihrer Ausgabe 3/2009 berichtet, gibt es aber bereits Ansätze zur Erschaffung einer kompletten funktionstüchtigen Zelle einschließlich Hülle, wenn auch noch ein langer Weg vor den Forschern liegt. – Klaus-Dieter Sedlacek

Der Autor ist Verfasser des Buchs »Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen«. In dem Buch wird unter anderem der Zusammenhang zwischen den fundamentalen Bausteinen der Welt und Bewusstsein aufgedeckt.

Baukastenprinzip: Uralter Welterfolg bedeutet die Zukunft für Roboter-Modelle!

Weinheim (ptx) – „ Patent-Anspruch: Die Herstellung von Modellbauten aus Leisten verschiedener Länge, welche in einer gleichmäßigen Längeneintheilung vielfach gelocht und mittelst gerader oder gekrümmter V-förmiger Splintnadeln und dazu gehöriger Keile verbunden werden, während die Flächenfüllung durch Einschieben von Platten in die an Leisten angebrachten Nuthen bewirkt wird.“ Mit diesen schlichten Worten aus einer Patentschrift des Kaiserlichen Patentamts beginnt am 8. April 1888 vor genau 120 Jahren ein beispielloser Welterfolg: der Konstruktionsbaukasten.

In einem Jahr in dem Heinrich Rudolf Hertz die Grundlagen der drahtlosen Telegrafie entdeckt, George Eastman den Rollfilm-Fotoapparat erfindet, Dunlop den Luft gefüllten Reifen einführt und der Amerikaner Burroughs sich die Additionsmaschine patentieren lässt, kommt das interessanteste technische Spielzeug vieler Generationen gerade zur rechten Zeit. Die Industrialisierung und der gewaltige technische Fortschritt in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts lassen ein Verständnis-Vakuum bei der Bevölkerung entstehen, das ausgefüllt werden muss. Besonders die in dieser Umbruchzeit heranwachsenden Kinder sind auf die technischen Neuerungen in ihrem Umfeld neugierig. So ist es auch nicht verwunderlich, dass die Patentbeschreibung des 1. Konstruktions-baukastens mit dem Satz beginnt: „Die Erfindung bezweckt, durch ein leicht zusammenfügbares und wieder auseinander nehmbares Material Bauten der verschiedensten Art herzustellen, welche sowohl als Modelle, als auch zu lehrreichem Spielzeug dienen können.“ Auch heute im Zeitalter der Elektronik ist der Konstruktionsbaukasten als Spielzeug nicht wegzudenken.

Als Erfinder ist Otto Lilienthal genannt. Das ist im ersten Moment eine Überraschung. Aber beim genauen Hinsehen entpuppen sich die Gebrüder Otto und Gustav Lilienthal nicht nur als Flugpioniere, sondern sind auch der Pädagogik und künstlerischen Erziehung zugetan. Besonders Gustav Lilienthal arbeitet in einem reformerischen Arbeitskreis mit, der Schriften wie „Die Schulen der weiblichen Handarbeit“ oder „Jugendspiel und Arbeit“ herausgibt. Zudem entsteht in Zusammenhang mit diesen Tätigkeiten 1880 der Steinbaukasten, der später unter dem Namen „Richters Anker-Steinbaukasten“ weltberühmt wird. Der Architekt und Kinderfreund Gustav Lilienthal dürfte deshalb auch –wie es aus Briefwechseln hervorgeht- der wirkliche Erfinder des 1. Konstruktonsbaukastens gewesen sein, nur kann er nicht in Erscheinung treten, da er zu diesem Zeitpunkt ohne Vermögen und somit nicht kreditwürdig ist. Bruder Otto, der Ingenieur, muss also herhalten.

Auf der Leipziger Messe 1888 zeigen die Lilienthals neben verschiedenen architektonischen Modellen auch eine Windmühle. Die Beweglichkeit über die drehende Achse ist der erste konkrete Hinweis auf entsprechende weitere Modelle, die die technische Wirklichkeit darstellen können. Doch wahrscheinlich bricht in der Folgezeit der engagierte Architekt in Gustav durch, denn seine wichtigsten Vorzeige-Modelle beschränken sich auf den Eiffelturm, die damals kühnen Konstruktionen aus Glas und Stahl und auf pompös gestaltete Bahnhöfe.

Richtig Bewegung und somit Technik bringen dann andere Hersteller wie Matador, Walthers Stabilbaukasten und Meccano Anfang des 20. Jahrhunderts ins Spiel. Heute würde man allerdings von Me-Too-Produkten sprechen, denn das übernommene Basisprinzip eines Konstruktionsbaukastens mit gelochten Leisten in gleichmäßigen Abständen und passenden Verbindungselementen haben die Lilienthals erfunden. Normalerweise wird derjenige vom Leben bestraft, der zu spät kommt. Im Fall Lilienthal ist es genau umgekehrt: Sie sind zu früh und wohl auch mit zu wenig Kapital ausgestattet. Das erfinderische und vertriebliche Know-How nutzen schließlich andere und ernten die Früchte der Lilienthals.

Neben dem Stabilbaukasten von Walther macht besonders der Metallbaukasten von Meccano Furore. 1901 in England von Frank Hornby entwickelt, wird er auch bald in Deutschland zum Kassenschlager. Allerdings dauert der Siegeszug nur bis zum 1. Weltkrieg. Dann kassiert der deutsche Staat die in Berlin angemeldeten Meccano-Patente und verkauft sie an Märklin weiter. Die Zoll-Maße bei den Lochabständen weisen noch heute auf den Ursprung hin.

Der Metallbaukasten ist jahrzehntelang der Traum aller Jungen. Da wird getüftelt, geschraubt und konstruiert. Das ist nach 1945 schnell vorbei, denn neue Werkstoffe verändern auch die Welt der Spielzeuge. Mit Kunststoffen werden die Spielzeuge unempfindlicher und zudem ist die Verformung einfacher und die Einsatzmöglichkeiten sind vielseitiger. Die Spielwaren-Industrie erkennt diesen Trend schnell und folgt ihm. Vieles, was bisher aus Holz oder Metall gefertigt war, entsteht nun aus Kunststoff. Als erstes kommt Lego auf den Markt, allerdings lediglich als „Klötzchenspiel“, denn es sind fast nur architektonische Modelle ohne Bewegung möglich. Die Technik findet dort erst richtig im Laufe der 70er Jahre statt.

Fast 80 Jahre hält das Lilienthal’sche Konstruktionsbaukasten-Prinzip aus gelochten Leisten. Erst 1964/65 kommt mit dem fischertechnik-System von Artur Fischer im wahrsten Sinn des Wortes Bewegung in die Baukastenwelt Und das natürlich gleich aus Kunststoff. Statt gelochter Leisten oder Bleche, die mit Schrauben und Muttern verbunden werden, setzt er das Prinzip der Schwalbenschwanzbefestigung ein, bei dem Zapfen in Nuten geschoben werden. So erreicht er einen hohen Grad an Modellfestigkeit und Vielseitigkeit der einzelnen Bauteile. Die sichere Befestigung ist für Fischer kein unbekanntes Gebiet, denn als einer der weltgrößten Dübelhersteller hat er schon immer mit diesem Thema zu tun gehabt. Im übrigen ist auch die Entwicklung des fischertechnik-Systems eng mit dem Dübel verbunden: Nämlich immer wenn es weihnachtet, ärgert sich Fischer über die langweiligen und einfallslosen Weihnachtsgeschenke, die er von seinen Lieferanten bekommt, und die er letztlich auch seinen Kunden überreicht. So entsteht die Idee, ein Befestigungsmittel für Kinder zu entwickeln, das gleichzeitig ein Spielzeug sein soll. An eine kommerzielle Auswertung ist zunächst gar nicht gedacht. Das Ergebnis der Tüftelei ist ein Baustein, der an allen sechs Seiten mit dem nächsten Stein zu verbinden ist. Bereits nach zwölf Monaten ist aus diesem Stein ein ganzer Bau-kasten mit unterschiedlichen Elementen geworden.

Nach über 40 Jahren auf dem Markt hat fischertechnik nicht nur bei Kindern und Jugendlichen technisches Wissen vermittelt, sondern auch ganze Generationen von Technikern in ihrer Berufswahl beeinflusst und geformt. Bei Wettbewerben wie „Jugend forscht“ spielt es immer wieder eine Rolle und in vielen Schulen sorgt das Material im Technik- oder Werkunterricht für den technischen Durchblick. Maschinenbaubetriebe setzen aus fischertechnik gebaute Nachbildungen ihrer Großanlagen zur gefahrlosen Erprobung der notwendigen elektronischen Steuerung ein. Selbst die Nachwuchsförderung in der IT-Branche erfolgt unter Einsatz von fischertechnik-Modellen. So arbeitet der Software-Konzern Microsoft mit dem Forschungszentrum Informatik an der Universität Karlsruhe zusammen und lehrt Studenten, wie Roboter-Modelle aus dem Konstruktionsbaukasten mit passgenauen Programmen zum Laufen zu bringen sind.

Die Gebrüder Lilienthal gelten als die Luftfahrtpioniere. Dass sie den Konstruktionsbaukasten erfunden haben, ist weitgehend unbekannt oder wird in der Bedeutung vernachlässigt. Doch beide Erfindungen bzw. Pioniertaten können in der Weiterentwicklung als gleichbedeutend betrachtet werden, denn viele der heute bedeutenden Konstrukteure und Ingenieure haben ihre ersten Schritte in das Reich der Technik mit einem Konstruktionsbaukasten begonnen.
Dieter Tschorn

Flexible Produktion: Legosystem für Produktionsanlagen

“DAS WISSEN” ( toppx.newzs.de ) berichtet über das Wunderwelt Wissen.

Legosystem für Produktionsanlagen
Eine neue Plattform aus einzelnen Bausteinen vereinfacht es, analytische oder therapeutische Prozesse vom Labor in die industrielle Fertigung zu überführen.© Fraunhofer IPA

(idw) Was im Kleinen geht, muss im Großen nicht gleich klappen. Will man etwa analytische oder therapeutische Prozesse vom Labor in die industrielle Fertigung überführen, braucht es Geduld und einen großen Geldbeutel. Eine neue Plattform aus Bausteinen minimiert die Kosten.

Laboranlagen für medizinische Fragestellungen – etwa für Blutuntersuchungen – und Produktionsgeräte für medizinisches Zubehör haben eines gemeinsam: Sie sind schwer zu planen, da eine Fülle von unterschiedlichen Komponenten zusammenkommen. Wo müssen welche Pumpen und welche Dosiersysteme sitzen, um etwa einen Biochip optimal produzieren und auswerten zu können? Bislang entwerfen Hersteller von komplexen Laboranlagen zunächst verschiedene Konzepte und Konstruktionszeichnungen, bevor sie das reale Gerät aufbauen. Dennoch funktionieren die Maschinen in der Realität oft nicht wie erwartet. Die Planung beginnt erneut – eine teure Angelegenheit. Ein weiteres Problem: Die Konstrukteure verwenden vorwiegend Bauteile und Technologien, mit denen sie bereits Erfahrung haben. Das sind jedoch nicht immer diejenigen, die für das System optimal wären.Mit der neuen Plattform “Modular Process Automation Laboratory m:Pal” lassen sich komplexe Laborgeräte schneller und effizienter planen. Sie bietet einen Bausatz, bei dem Pumpen, Inkubatoren, Dosiergeräte oder Kameramodule nach Belieben zusammengesteckt und umgehend ausprobiert werden können – ähnlich wie bei Legosteinen. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart haben “m:Pal” entwickelt. “Wir haben quasi einen Spielplatz entwickelt, auf dem wir alle Techniken unkompliziert testen und diejenigen heraussuchen können, die für die jeweilige Fragestellung am besten geeignet sind. Jedes Modul ist völlig autark und kann daher auch alleine betrieben werden”, sagt Andreas Traube, Gruppenleiter am IPA. “Der Knackpunkt lag in der Softwarearchitektur: Die benötigten Module müssen sofort auf Knopfdruck funktionieren, wenn man sie zusammensteckt.”

Künftig soll die Plattform Herstellern kleiner Serien eine hohe Flexibilität bieten. “Produzenten von Hörgeräten oder anderen medizinischen Produkten, von denen es verschiedene Varianten oder ständig neue Modelle gibt, können “m:Pal” als Produktionsgerät einsetzen. Bisher musste man bei jedem neuen Modell die ganze Produktionslinie austauschen – mit “m:Pal” reicht es, ein oder zwei Module anzupassen. So lassen sich bis zu 50 Prozent der Kosten einsparen”, sagt Traube. Ebenso können Hersteller eine kleinere Produktionslinie schrittweise automatisieren und die Module nach und nach anschaffen, sobald sich der Durchsatz erhöht.

Lego-Roboter apportieren Gegenstände auf Kommando (CeBIT 2008)

Wissen Sie wie fortschrittlich existierende Roboter sind? Hier jetzt dazu ein Bericht über Lego-Roboter!

Die Roboter von Lego Mindstorms können sich nicht nur bewegen und über verschiedenen Sensoren ihre Umgebung wahrnehmen. Wissenschaftler der Universität des Saarlandes haben ihnen auch das Sprechen beigebracht und dafür ein einfach zu bedienendes Sprachdialogsystem entwickelt, das sich besonders für den Schulunterricht eignet. Am Stand der Universität des Saarlandes (CeBIT 2008, Halle 9, Stand B 35) zeigen die Saarbrücker Computerlinguisten, wie man mit Hilfe der sprechenden Roboter auf spielerische Weise moderne Sprachtechnologie vermitteln kann. Die Schüler erfahren dabei, dass man mit Computern nicht nur über Tastendruck, sondern ganz natürlich über Sprache kommunizieren kann. Die bei den Lego-Robotern eingesetzte Sprachsteuerungssoftware “Dialog OS” stammt von der CLT Sprachtechnologie GmbH, einem Spin-off-Unternehmen der Universität des Saarlandes.

Am CeBIT-Stand wird ein Roboter auf mündliche Anweisung bunte Gegenstände ansteuern, greifen und dem Messebesucher bringen. Dieses Beispielszenario kann auch im Schulunterricht oder von Hobbytechniker einfach nachgebaut werden. Es macht deutlich, welche komplexen Aufgaben ein Computer lösen muss, wenn er sowohl dem menschlichen Seh- und Tastsinn als auch der gesprochenen Sprache nacheifern will. Das Sprachdialogsystem Dialog OS bietet das dafür nötige Handwerkszeug und ist über graphische Benutzeroberflächen genauso einfach zu bedienen wie die Steuerungssoftware der Roboter von Lego Mindstorms. Es kann Sprache ohne spezielles Training erkennen und ausgeben und damit im Dialog flexibel reagieren.

Über verschiedene Schnittstellen können auch alle möglichen anderen Geräte an das Dialogsystem angeschlossen und über Spracheingaben gesteuert werden. Im System bereits eingebaut ist die Schnittstelle zu den Robotern von Lego Mindstorms. Der Nutzer kann die Roboter auch mit eigenen Datenbanken füttern, um sie zu einem Thema seiner Wahl dialogfähig zu machen. Ein Musiktitel-Archiv oder die Namen von Kollegen oder Mitschülern, die im Dialog eine Rolle spielen sollen, sind denkbare Beispiele. (Quelle: idw)

Bücher zum Thema Roboter