• Unsere natürlichen Ressourcen neigen sich dem Ende zu.
• Kann die Forschung nachhaltige Lösungen finden, indem sie sich biologische Systeme in der Natur zum Vorbild nimmt?
• In Stuttgart arbeiten Biologen, Informatiker und Maschinenbauer daran, die Probleme unserer Zeit mit Biotechnologie zu lösen.

Stellen Sie sich einmal folgendes Szenario vor: Sie gehen morgens ins Bad und hauchen den Spiegel an. Der verrät Ihnen nach einer kurzen Analyse der Atemluft, wie es Ihnen geht: Haben Sie genug gegessen und getrunken? Sind Sie gesund? Oder im Begriff, krank zu werden? Der Spiegel erkennt das, weil in ihm ein Sensor mit einer Vielzahl biologischer Riechzellen eingebaut ist, und unsere Atemluft viel über unseren Gesundheitszustand verrät.

Anschließend möchten Sie in der Küche das Frühstück zubereiten. Dafür greifen Sie nicht in den Kühlschrank, um Frühstücksspeck vom Mastschwein hervorzuholen, sondern Sie programmieren den 3D-Drucker, der Ihnen ein Frühstück Ihrer Wahl direkt vor Ort in der gewünschten Menge produziert. Frisches Grün und Kräuter pflücken Sie direkt von ihrem hauseigenen Indoor-Kräuter- und Gemüsegarten, der sich selbst versorgt.

Tabletten selbst zuhause anfertigen

Bleibt dennoch etwas übrig, kommt dieser Rest einfach in ein Verwertungssystem. Mit den daraus gewonnen Nährstoffen speisen Sie die Kräuter in Ihrer Hausfarm oder produzieren neue Rohstoffe in Minifabriken. Möglicherweise biohybride Maschinen, die ihre eigene Energie produzieren, weil sie Zellen in sich tragen, die Chlorophyll enthalten und so mithilfe von Sonnenlicht Photosynthese betreiben können. Falls Sie Medikamente benötigen, nehmen Sie keine Standardtabletten aus der Apotheke, sondern fertigen sie vor Ort in der auf Sie und Ihre Erkrankung zugeschnittenen Dosis und Menge an.

Hört sich nach Science-Fiction an? Ist es auch. Aber es sind Visionen wie diese, die die Forscher des Anfang des Jahres gegründeten Kompetenzzentrums Biointelligenz am Stuttgarter Fraunhofer Institut antreiben. „Mit Sicherheit ist da noch einiges an Vision dabei. Das muss es auch, damit wir auf etwas Positives hinarbeiten können“, sagt Robert Miehe, Chef des Kompetenzzentrums. „Aber es wird immer mehr möglich durch die Verarbeitung hochkomplexer Datenmengen.“

Biologie und Technologie vereinigen

40 Wissenschaftler aus den unterschiedlichsten Fachrichtungen der Universitäten Stuttgart und Hohenheim sowie des Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Instituts in Reutlingen und sechs Fraunhofer-Institute arbeiten daran, solche Visionen Wirklichkeit werden zu lassen. Darunter Maschinenbauer, Biologen, Biotechnologen, Medizintechniker, Architekten, Ernährungswissenschaftler und Informatiker. „Die Frage, die wir klären müssen, ist doch: Wie können wir künftig die Bedürfnisse der Menschen in den Bereichen Wohnen, Ernährung, Gesundheit, Konsum oder Energie weltweit nachhaltig befriedigen“, sagt Thomas Bauernhansl, Leiter des Instituts für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart und einer der Initiatoren des Kompetenzzentrum Biointelligenz. Seine Antwort darauf: „Als Ergänzung zur Digitalisierung wird die Biologische Transformation der Schlüssel sein. Davon sind wir überzeugt.“ Das Kompetenzzentrum will Deutschland damit weltweit auf eine Vorreiterposition bringen.

Apple-Begründer Steve Jobs sagte bereits im Jahr 2006: „Ich glaube die größten Innovationen des 21. Jahrhunderts werden an der Kreuzung von Biologie und Technologie entstehen. Eine neue Ära beginnt.“ Die Biologische Transformation setzt nun an dieser Kreuzung an. Sie ist sozusagen die evolutionäre Weiterentwicklung dessen, was mit der Bionik begann. Während die Bionik die Natur nur zum Vorbild nimmt und sie mit rein technischen Mitteln nachbaut, vereint die Biologische Transformation biologische und technologische Systeme.

Roboter an Flughäfen, die Sprengstoff erschnüffeln

Zum Beispiel, indem Riechzellen in einen Sensor integriert werden. Hunde können bestimmte Erkrankungen an Menschen erschnüffeln. Im Spiegel aus dem oben genannten Beispiel sind die Riechzellen in so hoher Dichte vorhanden, dass er das, was darauf trainierte Hunde können, perfektioniert. Weit entfernt sind wir von dieser Technologie nicht mehr: Das US-Unternehmen „Koniku“ arbeitet derzeit an solchen „Wetchips“, Chips mit biologischen Nervenzellen. Auch denkbar wäre es, Roboter an Flughäfen mit solchen Sensoren auszustatten, die dann zuverlässig Sprengstoff erschnüffeln könnten.

Oshiorenoya Agabi, Gründer von Koniku, ist sogar überzeugt davon, dass er in den nächsten zwei bis fünf Jahren imstande sein wird, auf diese Weise Roboter zu erschaffen, die im biologischen Sinne wie ein Mensch denken. Agabi zufolge ist es derzeit möglich, bis zu zwei Millionen Gehirnzellen auf einem Chip zu platzieren. Damit ist ein Roboter zu Wahrnehmung fähig und kann beispielsweise schmecken, hören und riechen. Technik und Biologie verschmelzen zu einem biointelligenten System.  

Selbstheilender Beton mit kalkproduzierenden Bakterien

Während der menschliche Roboter – wenn überhaupt – erst in der Zukunft existieren wird, sind andere Innovationen bereits wahr geworden. Das Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung entwickelte eine Minifabrik, die innerhalb weniger Minuten eine auf den Benutzer zugeschnittene Handcreme herstellt. Zuvor misst das Gerät den Feuchtigkeits- und Fettgehalt der Haut. Ein anderes Beispiel ist der selbstheilende Beton: Dafür werden in der Betonmischung kalkproduzierende Bakterien in winzige Tonpellets eingearbeitet. Dort können sie theoretisch 200 Jahre inaktiv überleben. Erst wenn der Beton Risse bekommt, werden sie durch das eindringende Wasser aktiviert: Sie produzieren dann Kalk, der die Risse verschließt. Dieses Beispiel kommt einem natürlichen Kreislauf schon recht nahe.

Denn ein biologisches System produziert Rohstoffe spontan und nach Bedarf. In der Natur wird nichts verschwendet, alles wiederverwertet – ein großer Kreislauf. Was wir bei der Produktion unserer Lebensmittel und Bedarfsgegenstände tun, ist in der Regel das Gegenteil: Wir verwenden fossile Rohstoffe, deren Ende absehbar ist. Die einzelnen Bestandteile werden irgendwo auf der Welt hergestellt und reisen dann um den Globus, bevor das Endprodukt entstehen kann – in häufig viel zu hohen Mengen. Dabei produzieren wir sowohl beim Transport als auch bei der Herstellung viel klimaschädliches CO₂ und Müll. Unser industrieller Wohlstand basiert auf einem System, das keine Chance auf dauerhaften Fortbestand hat.

Kreisläufe der Natur nachahmen

Mit der Biologischen Transformation soll sich das ändern, sagt Robert Miehe: „Damit können wir mehr regionale Ressourcen nutzen, benötigen weniger Transportwege, weniger Anbaufläche und können so für eine höhere Bevölkerungszahl einen großen Beitrag in Bezug auf eine nachhaltige Gestaltung sicherstellen.“ Statt alles in großen Fabriken massenweise zu produzieren und zu verschicken, stellt jeder im hauseigenen Bioreaktor genau das her, was er braucht.

Die Natur schöpft aus sich selbst und benötigt keine Ressourcen von außen – außer dem Sonnenlicht. Ziel des Kompetenzzentrums ist es deshalb, nach den Prinzipien der Natur zu wirtschaften. Das hört sich einfach an und es stellt sich die Frage, warum wir nicht schon eher auf diese einleuchtende Idee gekommen sind.

Systeme zu verstehen, ist die Voraussetzung, um sie zu nutzen

Tatsache ist allerdings, dass wir die komplexen Wirkungszusammenhänge der Natur noch längst nicht vollständig entschlüsselt haben. Und: „Vieles von dem, was wir vorhaben, ist erst möglich, seitdem wir so große Datenmengen verarbeiten können“, erklärt Miehe. Biologische Systeme zu verstehen, ist die Voraussetzung, um sie zu nutzen und in einem nächsten Schritt in technische Systeme zu integrieren.

Durchsetzen werden sich solche Produkte jedoch nur, wenn Gesellschaft und Politik mitziehen. „Solange wir für ein Schnitzel nur 50 Cent bezahlen wollen, wird der Wandel nicht kommen. Wir müssen Prioritäten setzen“, sagt Miehe.  „Schweinefleisch zum Beispiel ist ja nur deshalb so billig, weil wir die Umweltschäden, die die Fleischproduktion verursacht, nicht selbst bezahlen müssen. Das muss die Dritte Welt tragen. Wir zahlen also gar nicht den Preis, den das Fleisch tatsächlich wert ist.“ Das einzelne Produkt wird zwar möglicherweise teurer sein. Die Folgeschäden für den Rest der Welt würden allerdings gar nicht erst generiert.

Standort Deutschland in den Ingenieurwissenschaften in der Vorreiterrolle

Im Kompetenzzentrum des Fraunhofer-Instituts arbeiten Wissenschaftler völlig verschiedener Disziplinen zusammen. Das bietet Chancen, ist aber auch eine große Herausforderung. Denn je weiter die Forschung voranschreitet, desto spezialisierter werden Wissenschaft und Wissenschaftler. „Es ist in der Tat nicht einfach, eine gemeinsame Sprache zu entwickeln“, sagt Miehe. „Es gibt in den unterschiedlichen Disziplinen ein unterschiedliches Verständnis verschiedener Themen.“ Ziel ist es zunächst, eine offene Netzwerkorganisation aufzubauen, die es erlaubt, Ideen und Kompetenzen innerhalb einer gemeinsamen Vision auszutauschen.

Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte und vom Projektträger Karlsruhe betreute Voruntersuchung „Biotrain“ sollte im Vorfeld die Stärken und Schwächen des Forschungsstandorts Deutschland analysieren. „Die Ergebnisse zeigen, dass deutsche Unternehmen zwar nicht führend in den relevanten Bereichen der Biologischen Transformation sind, aber doch in einer aussichtsreichen Position, wenn schnell die richtigen Maßnahmen ergriffen werden“, berichtet Robert Miehe. Besonders in den Ingenieurwissenschaften sei Deutschland in einer Vorreiterrolle. Als geeignete Maßnahmen sehen die Autoren der Studie zum Beispiel Bildungsprogramme, um fähige Wissenschaftler auszubilden, aber auch die Förderung von Unternehmen und Start-ups der Branche und ein politisches Rahmenwerk, das sowohl Möglichkeiten schafft als auch Grenzen setzt, wo sie nötig sind.

Die Forscher des Kompetenzzentrums sind davon überzeugt, dass die Biologische Transformation unser Leben revolutionieren könnte. Neben Aufbruchsstimmung sind aber auch kritische Fragen angebracht: Was sind die Risiken? Wo sind die ethischen Grenzen? Kann uns die Kontrolle über neue Technologien aus den Händen gleiten? Sind unsere Daten sicher? Welche Möglichkeiten werden auf diesem Wege eröffnet, die vielleicht jetzt noch gar nicht absehbar sind? Drohen neue Umweltschäden? Auch Biosprit klang zunächst vielversprechend, stellte sich jedoch als völlig falscher Weg heraus: Der Anbau von Mais und Palmöl in Monokulturen benötigt riesige Flächen, auf denen keine Lebensmittel mehr angebaut werden können und ist ökologisch unsinnig.

Sind unsere Daten sicher?

Bioökonomie, Biointelligenz, Biologische Transformation – viele Begriffe, ein gemeinsames Ziel: Wissenschaft, Wirtschaft und Technologie nicht nur ökonomischer, sondern auch ökologischer zu gestalten. Wissenschaftler und Unternehmer erwarten dafür von der Politik bessere Rahmenbedingungen und Förderung. Die Bürger erwarten Gesetze zum Schutz vor Missbrauch der neuen Technologien. Mit der Bioökonomie-Strategie will die Bundesregierung Innovationen fördern, „die Ökologie und Ökonomie zu einem nachhaltigen Wachstum miteinander verbinden“.

In einem Statement des vom Umweltbundesamt geförderten „Zivilgesellschaftlichen Aktionsforums Bioökonomie“, das sich aus mehreren deutschen Umweltverbänden zusammensetzt, heißt es zum Entwurf der Bioökonomie-Strategie: „Wir vermissen ein eindeutiges Bekenntnis der Bundesregierung zum Vorsorgeprinzip sowie ein klares Statement gegen Agro-Gentechnik in der zukünftigen Bioökonomieforschung.“ Es sei problematisch, dass der Entwurf keine Technikfolgenabschätzung und Risikobewertung zu zentralen bioökonomischen Verfahren vorsehe. Auch wichtige Fragen zum Zugang zu genetischen Ressourcen und einem gerechten Vorteilsausgleich würden nicht thematisiert.

Grundsätzliche Akzeptanz der Gesellschaft nötig

Die Beantwortung solcher Fragen ist für die Forschung nicht nur wichtig, um folgenschwere Fehler zu vermeiden, sondern auch, um die Gesellschaft hinter sich zu bringen. Sind die Menschen am Ende nicht bereit, biointelligente Produkte zu kaufen, weil sie sie für gesundheits- oder umweltschädlich halten, nutzt die Innovation nichts. Robert Miehe vom Kompetenzzentrum fürchtet um diese grundsätzliche Akzeptanz der Deutschen. 

„Die deutsche Gesellschaft versucht, innovative Techniken von Beginn an gründlicher zu durchdenken im Hinblick auf ethische und soziale Probleme, andere Gesellschaften probieren sie schneller aus“, gibt Dirk Lanzerath, Biologe und Geschäftsführer des Deutschen Referenzzentrums für Ethik in den Biowissenschaften in Bonn, zu bedenken. Dadurch würden Innovationen zwar manchmal erschwert, man rutsche aber auch nicht so schnell in Skandale oder Missbrauchssituationen hinein. Im Bereich Künstliche Intelligenz werden beispielsweise große Mengen an persönlichen Daten verarbeitet, und es muss sichergestellt sein, dass diese sensiblen Informationen nicht missbraucht werden. Dass also beispielsweise der oben genannte Spiegel nicht umgehend an die Krankenkasse weiterleitet, dass wir zu häufig zu viel Alkohol trinken.

Viele Probleme sind Herausforderungen für unsere soziale Gerechtigkeit

Dirk Lanzerath warnt auch davor, alle Hoffnungen auf technologische Innovationen zu setzen und dabei unsere eigene Verantwortung aus den Augen zu lassen: „Auch die Biologische Transformation wird nicht alle Probleme lösen, denn viele der aktuellen sozioökologischen Herausforderungen sind keine technischen Probleme, sondern Herausforderungen für unsere soziale Gerechtigkeit in einer globalisierten Gesellschaft“, sagt er. Ob die Biologische Transformation ein Weg ist, unsere Zukunft nachhaltiger und umweltverträglicher zu gestalten, muss sich erst noch zeigen. Der einzige Weg kann sie sicherlich nicht sein. 

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„Wenn wir Änderungen mithilfe neuer Techniken in der Gesellschaft umsetzen wollen, dann müssen wir die ganze Gesellschaft mitnehmen“, sagt Lanzerath. Eine Diskussion über Bioökonomie findet derzeit jedoch vor allem in wissenschaftlichen Kreisen statt. Dabei wären die Menschen durchaus in der Lage, zu differenzieren, sie seien weder technikgläubig noch grundsätzlich gegen alle Innovationen, sagt Lanzerath. „Wenn ein Bakterium menschliches Insulin produzieren kann, dann leuchtet jedem ein, dass das der große therapeutische Vorteil eines gentechnischen Verfahrens ist“, ist er sicher. „Gerade in der aktuellen Debatte um Nachhaltigkeit glaube ich, dass man eine Gesellschaft von der Notwendigkeit neuer biotechnologischer Verfahren überzeugen können wird. Wenn nicht jetzt, wann dann?“  Nie waren Umweltschutz und Nachhaltigkeitsdenken so en vogue wie derzeit. Und so dringend nötig.

Lösungsansätze für Hunger, Krankheiten und Umweltverschmutzung

1) Kein Hunger

Rund 7,7 Milliarden Menschen auf der Erde wollen momentan ernährt werden. 2050 werden es Prognosen zufolge fast zehn Milliarden sein. Doch die Ressourcen hierfür – Wasser, Energie und landwirtschaftliche Fläche – sind begrenzt. Besonders die Produktion von tierischen Produkten benötigt ein Vielfaches dessen, was rein pflanzlicher Anbau braucht. Die Nahrungsmittelproduktion ist zudem Teil des Klimaproblems. Die Erforschung neuer Proteinquellen könnte die Fleischproduktion ersetzen, die 14,5 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen freisetzen.

Das Fraunhofer Institut arbeitet derzeit daran, aus den Samen heimischer blauer Süßlupinen Fleischersatz herzustellen. Und statt Tomaten in holländischen Gewächshäusern heranzuziehen und zu den Zielorten zu transportieren, könnte jeder mit Mini-Farmen zuhause oder in den Büros dank intelligenter und sich selbst regulierender Kreisläufe selbst sein Gemüse heranziehen. Möglicherweise wachsen in unseren Küchenschränken innerhalb von ein paar Tagen irgendwann ganze Mahlzeiten heran.

2) Gesundheit

Regenerative Medizin soll mithilfe biologischer Abläufe, wie sie natürlicherweise in Zellen stattfinden, Körperfunktionen wiederherstellen. So arbeitet man beispielsweise daran, Organe außerhalb des Körpers wachsen zu lassen. In Zelltherapien könnte man außerdem Krebspatienten gentechnisch Rezeptoren in Immunzellen einfügen, die gezielt Krebszellen angreifen.

Zudem arbeitet das Fraunhofer Institut daran, aus Stammzellen auf Wunden neues Gewebe wachsen zu lassen. Tierversuche, die  ethisch umstritten sind und  nur eine begrenzte Aussagekraft haben, könnten durch aus Stammzellen gezüchtete Zellsysteme ersetzt werden. In die fernere Zukunft gedacht: Irgendwann könnten sogar aus unseren Essensresten Medikamente im Fermenter hergestellt werden.

3) Nachhaltiges Leben

Plastik ist böse, das weiß jeder, und versucht, möglichst wenig Verpackungen und Plastiktüten zu verbrauchen. Statt Kunststoff dafür zu verwenden, arbeiten Forscher derzeit daran, Verpackungen aus Fasern von Früchten herzustellen. Vieles dreht sich in der Biologischen Transformation darum, Kreisläufe der Natur nachzuahmen und möglichst keine Reste zu erzeugen, sondern alles wiederzuverwerten und beispielsweise Pflanzen- und Essensreste als Ressource zu verwenden.

Bei der Herstellung von Käse beispielsweise bleibt derzeit etwa 60 Prozent Molke übrig, deren Peptide und Proteine nicht weiterverwendet werden. Dabei könnten sie wichtige Rohstoffe für die Pharma- und Lebensmittelbranche sein. Auch alternative Energiegewinnung ist ein wichtiges Thema: So könnten Roboter die Energie, die sie benötigen, selbst über Photosynthese erzeugen. 

Karten für das Mint-Festival in Köln gewinnen

Vom 10. bis zum 26. Oktober bietet die Stadtbibliothek Köln zum zweiten Mal im Rahmen ihres MINT-Festivals ein Programm rund um Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik. 111 Veranstaltungen können besucht werden, davon rund 100 kostenfreie Workshops. Themenschwerpunkte des Festivals sind Astronomie und Weltraum. 

Verlosung: Für die Vorträge von Wissenschaftsjournalist Ranga Yogeshwar zur Künstlicher Intelligenz („Mensch und Maschine  – wer programmiert wen?“ 17. Oktober, 19 Uhr) und von Astronomie-Blogger Florian Freistetter über „Die Geschichte des Universums in 100 Sternen“ (16. Oktober, 19 Uhr)  verlosen wir je 5 mal 2 Tickets.

Wenn Sie gewinnen möchten, rufen Sie bis 22.9, 24 Uhr an.  Stichwort Yogeshwar unter  01378 90 60 54 (0,50€/Anruf aus dem dt. Festnetz, Mobilfunk wesentlich höher) oder senden Sie uns eine SMS mit dem Stichwort MAG54 und Ihrem Namen und Adresse an die: 99 699 (0,50€/SMS). Für Floria Freistetter verwenden Sie bis 22.9, 24 Uhr das  Stichwort Freistetter unter 01378 90 60  57 (0,50€/Anruf aus dem dt. Festnetz, Mobilfunk wesentlich höher) oder senden Sie uns eine SMS mit dem Stichwort MAG57 und Ihrem Namen und Adresse an die: 99 699 (0,50€/SMS).

Der Rechtsweg ist ausgeschlossen. Veranstalter des Gewinnspiels ist die M. DuMont Schauberg Expedition der Kölnischen Zeitung GmbH & Co. KG. Bei einer Teilnahme gelten unsere AGB als akzeptiert.  www.ksta.de/gewinnspiel-agb bzw. www.kr.de/gewinnspiel-agb