In Maschinen bauen wir immer ein Stück von uns selbst mit ein, meint ZEIT-Redakteur Gero von Randow, 61. Und das hat überraschende Effekte. © Nicole Sturz/Cornelia Pflüger

Nanotechnologie ist mittlerweile das geworden, was man einen modernen Klassiker nennen könnte. Sie hat uns eine neue Welt eröffnet, denn sie operiert mit künstlich erzeugten Strukturen, deren Formen kleiner als 100 Nanometer sind, und siehe da: In dieser Winzwelt präsentieren sich die Naturgesetze anders als in unserer gewohnten Umgebung, in der alles mittlere Größe hat.

Kaum eine andere Forschungsrichtung zeigt so schlagend wie sie die großen Trends der heutigen Technik-Avantgarde. Zu den Eigenschaften der Nanotechnologie, die sie so beispielhaft machen, zählen diese: Erstens verschmelzen in ihr Wissenschaft und Technik. Zweitens werden mit ihr Oberflächenphänomene und damit die räumlichen Verteilungen auf der Ebene wieder wichtig, gewissermaßen wie in den Geowissenschaften. Drittens verknüpft sie Techno- und Biowissenschaften, denn Nanostrukturen legen ihre biologische Deutung und Nutzung unmittelbar nahe. Viertens schließlich bewegt sie sich oft auf den avanciertesten Gebieten der technischen Informatik, von der Photonik, also dem Rechnen mit Licht(teilchen), bis hin zum quantum computing.

Eine Veröffentlichung im Wissenschaftsjournal Science von vergangener Woche demonstriert diese Eigenschaften. In der Studie berichten Forscher des Weizmann-Instituts von ihrer Arbeit mit winzigen Bioreaktoren, die sie in Siliziumchips geätzt haben. Darin synthetisieren sie Eiweißmoleküle mithilfe von DNA; das machen andere Wissenschaftler auch, aber das Besondere dieser Studie besteht darin, dass die Nanostrukturen dergestalt angeordnet sind, dass mit ihrer Hilfe der Lebensweg der Proteine gewissermaßen räumlich auseinandergelegt wird; er ist daher leichter zu beobachten, als wenn sich sämtliche Vorgänge in ein und demselben Bioreaktor abspielen würden (Karzbrun & Tayar et al., 2014).

Bakterien-Extrakt als Rohstoff für die DNA-Reaktoren

Die Nanostrukturen der Weizmann-Forscher bestehen im Wesentlichen aus zwei Komponenten, aus Mulden und Kanälen. In die Mulden wurde DNA gepackt, und zwar in bereits kontrollierter Form (als "Bürsten"), von den Mulden wiederum führen Kapillaren in einen Hauptkanal. In den Kanal wird kontinuierlich Extrakt aus einer Bakterienkultur gepumpt, sozusagen der Rohstoff für die DNA-Reaktoren. Über die Kapillaren dringt die Substanz in die Mulden, wo mithilfe der DNA ununterbrochen Proteine entstehen. Die wiederum diffundieren allmählich zurück in den Hauptstrom; und während sie so wandern, befinden sie sich jeweils zu einem bestimmten Lebenszeitpunkt in einer definierten Zone des Siliziumchips.

Die Forscher untersuchten mithilfe des Systems unter anderem, wie sich variierende Abmessungen der ins Silizium geätzten Nanofabrik auf die Produktionsraten sowie auf die Eigenschaften der Produkte auswirkten. Außerdem beeinflussten die Wissenschaftler die Produktion in den Nanoreaktoren durch unterschiedliche Substanzen und beobachteten auch die Wechselwirkung zwischen miteinander verbundenen Reaktoren.

Sie gingen damit ähnlich wie die Natur vor. Auf zellularer Ebene laufen biochemische Reaktionen ja ebenfalls voneinander getrennt ab, aufgeteilt in jeweils eigene Bläschen, und deren Resultate interagieren miteinander über definierte Kanäle. Das Ganze kann auch als Rechenmaschine angesehen werden, und in der Tat existieren Vorstellungen, auf diese Weise einmal Computer aus künstlichen Zellen zu bauen. Beziehungsweise bauen zu lassen: Andere Forschergruppen arbeiten an Zell-Membranen, die sich selbst zusammenmontieren – und wieder andere an Algorithmen für Netzwerke biochemischer Reaktionen.

Informatik und Biologie sind in den vergangenen Jahrzehnten einander schon oft begegnet, namentlich in den Algorithmen der Genforschung (computational biology); hier nun finden sie sich als Zutaten einer Ingenieurwissenschaft, die sich als "künstliches Leben" und zugleich als cell computing bezeichnen ließe. Sie ist Forschung – und ebenso Konstruktion von Prototypen künftiger Technik. Das Leben verdoppelt sich als rekonstruierte Maschine.

Nächstes Mal geht es um Vertrauteres: Werkzeugmaschinen.