Nanobiotechnologie - eine Basistechnologie des 21. Jahrhunderts. U. Hartmann Fachrichtung Experimentalphysik der Universität des Saarlandes

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1 Nanobiotechnologie - eine Basistechnologie des 21. Jahrhunderts U. Hartmann Fachrichtung Experimentalphysik der Universität des Saarlandes

2 Zusammenfassung Die Nanotechnologie, und hier herrscht unter Experten allgemeiner Konsens, wird als eine der Basis- und Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts angesehen. Der innovative Aspekt besteht darin, physikalische Gesetze, chemische Verfahren und biologische Prinzipien in Kombination miteinander so zu nutzen, daß gezielt nanoskalige Bausteine mit spezifischen funktionalen und häufig neuen Eigenschaften resultieren. Der Nanobiotechnologie, welche speziell die Entwicklung bioinspirierter und biomimetischer Verfahren, die Nutzung biologischer Bausteine und Systeme, die Herstellung biokompatibler Materialien und Bauelemente und die Nutzung von Nanotechnologien zur Unterstützung biotechnologischer Prozesse zum Gegenstand hat, kommt dabei wegen ihres besonderen Querschnittscharakters und ihrer industriellen Relevanz schon zum gegenwärtigen Zeitpunkt eine erhebliche Bedeutung zu. Dementsprechend gibt es derzeit weltweit eine rasante Entwicklung des noch jungen Forschungsgebietes an der Schnittstelle von Nano- und Biotechnologie. Die Bewertung wissenschaftlich-technischer, ökonomischer und sozioökonomischer Aspekte, und damit auch eine breit angelegte öffentliche Diskussion, macht zunächst einmal eine scharfe Begriffsbestimmung, die insbesondere auch eine Abgrenzung gegenüber pseudonanotechnologischen Ansätzen der Biotechnologie beinhaltet, notwendig. Neben dem Versuch einer begrifflichen Definition stellt die vorliegende Arbeit das Gebiet der Nanobiotechnologie anhand exemplarischer Visionen, erster konkreter Forschungsergebnisse und bereits erfolgter wirtschaftlicher Umsetzungen vor. Hieraus ergibt sich eine Identifikation der Hauptstoßrichtungen, soweit diese aus heutiger Sicht absehbar sind. Die generelle wirtschaftliche Bedeutung wird anhand standort-, branchen- und unternehmensspezifischer Gesichtspunkte analysiert, woraus sich dann gegebenenfalls gewisse regionale oder auch globale förderpolitische Leitmotive ableiten lassen sollten. 2

3 I. Größe und Struktur als eigenschaftsbestimmende Faktoren Würde man, wie in Abb. 1 dargestellt, einen Menschen in seine chemischen Bestandteile zerlegen, so erhielte man eine Reihe von chemischen Elementen, die einen vergleichsweise geringen Wert verkörpern würden. Generierte man aber aus gerade eben jener Ansammlung chemischer Elemente über biologisch funktionale Moleküle, Zellen und ganze Organe einen menschlichen Organismus, so wäre die dabei erzielte Wertschöpfung gleichsam unendlich. Aus einfachen chemischen Elementen ist ein unglaublich komplexes biologisches System mit äußerst spezifischen individuellen Eigenschaftsmerkmalen geworden. Die Komplexität des ganzen sowie auch die spezifischen Eigenschaftsmerkmale manifestieren sich selbstverständlich nicht in der Auswahl der chemischen Bestandteile, aus denen letztendlich der Organismus konzipiert ist, sondern vielmehr in der Organisation und dem Zusammenspiel einzelner funktionaler Baueinheiten. Sowohl die strukturelle Organisation als auch das komplexe Zusammenspiel der Baueinheiten bestimmen die Komplexität des Gesamtorganismus und auch ausgeprägte individuelle Unterschiede, die selbst bei exakt gegebener stofflicher Zusammensetzung der biologischen Systems natürlich in erheblichem Maße auftreten. Kohlenstoff und 20 andere Elemente Abb. 1: Wertverlust bei der Dekomposition und Wertschöpfung bei der Komposition komplexer biologischer Systeme. Auf der Basis einer präzise gegebenen elementaren stofflichen Zusammensetzung wird ein enormes Maß an spezifischen Merkmalen im Rahmen der Komplexierung ausgebildet. 3

4 Ob in der organischen oder anorganischen Welt, wesentliche funktionale Eigenschaften werden beim Aufbau der Materie bereits im Stadium der Ansammlung nur weniger Atome festgelegt. Betrachtet man etwa physikalische Eigenschaften, wie die elektrische Leitfähigkeit, den Magnetismus, die Farbe, die mechanische Härte oder auch einen bestimmten Schmelzpunkt eines Materials (Abb. 2), so besitzt ein einzelnes Atom, welches ja ein Element unseres Periodensystems repräsentiert, diese Eigenschaften noch nicht. Ein Atom hat weder einen Schmelzpunkt noch eine Farbe, noch ist es ferromagnetisch. Ein Stecknadelkopf hingegen besitzt bereits alle genannten physikalischen Eigenschaften und unterscheidet sich in dieser Hinsicht nicht von einem tonnenschweren Objekt aus Stahl. Irgendwo zwischen der Größe eines einzelnen Atoms und derjenigen des Stecknadelkopfes werden also die relevanten physikalischen Eigenschaften akquiriert. Neben der Größe des Objektes ist dabei auch die Art und Weise, in welcher eine gegebene Atomsorte hochgradig geometrisch oder auch ungeordnet im Raum angeordnet wird, von ausschlaggebender Bedeutung. So lassen sich Kohlenstoffatome, wie in Abb. 2 dargestellt, entweder in Form des harten Diamants, in Form des weichen Graphits oder in Form der che- Abb. 2: Die Ausbildung physikalischer Eigenschaften findet statt zwischen dem einzelnen Atom und der ausgedehnten kondensierten Materie. Im entsprechenden Größenbereich sind die Materialeigenschaften nicht nur abhängig von der chemischen Zusammensetzung sondern auch von der Größe der jeweiligen Materieansammlung. 4

5 misch äußerst vielseitigen Fullerene anordnen. Festkörper aus Diamant, Graphit oder Fullerenen haben aber, obwohl sie letztendlich alle aus Kohlenstoffatomen bestehen, vollkommen unterschiedliche Eigenschaften. Sowohl die Größe einer funktionalen Einheit, also eines Moleküls oder kleinen Partikels, als auch die Art und Weise, in der eine gegebene Ansammlung von Atomen in der funktionalen Einheit angeordnet ist, bestimmen also auf makroskopischer Ebene Eigenschaften eines Systems, das aus den entsprechenden funktionalen Einheiten zusammengesetzt ist. Ein exemplarisches Beispiel zeigt Abb. 3. Eine Cadmiumselenid-Lösung zeigt in Abhängigkeit von der Größe der dispergierten Partikel eine stark unterschiedliche Färbung zwischen Rot- und Grüntönen. Die atomare Zusammensetzung der CdSe-Partikel und ihre Konzentration in der Lösung sind jeweils identisch. Die physikalische Eigenschaft Farbe wird also hier ausschließlich durch eine Größenvariation der Partikel modifiziert. Selbstverständlich ließe sich eine Farbvariation auch dadurch erzielen, daß die chemische Zusammensetzung der Partikel variiert wird. Abb. 3: Die Farbe gelöster Cadmiumselenid-Partikel läßt sich bei gegebener chemischer Zusammensetzung stark über die Partikelgröße variieren. 5

6 II. Nanostrukturanalytik als Wegbereiterin der Nanotechnologie Jede Form von Technologie auf atomarer Skala bedarf zunächst Möglichkeiten, Materie im entsprechenden Größenbereich zu analysieren und auch zu manipulieren. Der Nanostrukturanalytik und den Nanowerkzeugen im allgemeinen kommt damit im Hinblick auf eine Realisierung neuer Technologien eine eminente Bedeutung zu. Die Vermessung einer Detailstruktur oder eines kompletten Objektes besteht darin, die Geometrie im Idealfall in drei räumlichen Dimensionen mit hinreichender Präzision quantitativ zu erfassen. Gegenstand einer analytischen Charakterisierung ist zudem die Erfassung bestimmter funktionaler Eigenschaften der Struktur oder des Objektes, wie beispielsweise der chemischen Zusammensetzung, des elektronischen Transportverhaltens, der mechanischen Härte oder etwa des optischen Verhaltens. Um geometrische oder funktionale Eigenschaften zu erfassen, muß die zu untersuchende Struktur mit einer geeigneten Sonde analysiert werden. Wie in Abb. 4 dargestellt, besteht der Charakterisierungsvorgang darin, daß die Probe aufgrund geeigneter durch die Sonde hervorgerufener Stimuli in Form bestimmter physikalischer Informationen respondiert und mittels eines geeigneten Detektors die physikalische Reaktion der Probe sondiert wird. In einem konventionellen Lichtmikroskop etwa besteht der Probenstimulus im einfallenden sichtbaren Licht, welches in bestimmter Weise von der Probe reflektiert oder durch sie transmittiert wird. Die Reaktion der Probe auf diese Stimulanz wird dann in Form einer Intensitätsverteilung mit dem Auge oder einer Kamera detektiert. In diesem Fall besteht also sowohl die Sonde als auch das von der Probe als Reaktion auf die Sonde ausgesandte Signal in elektromagnetischen Wellen oder Photonen. Die optische Sonde ermöglicht es, Informationen über die geometrischen Dimensionen eines hinreichend großen Objektes zu erhalten und gestattet darüber hinaus, die Erfassung weiterer funktionaler Eigenschaften, wie etwa der Farbe des Objektes oder der Fähigkeit zur Fluoreszenz. 6

7 Abb. 4: Grundlage der Analytik ist die Reaktion einer Probe auf externe Stimuli. Abbildung 4 verdeutlicht, daß wir heute über mannigfaltige apparative Möglichkeiten zur Analyse verfügen, wobei die physikalischen Stimuli wie auch Antwortsignale der zu analysierenden Struktur, geladene oder ungeladene Teilchen, Felder oder Wellen sein können. Die resultierenden Kombinationsmöglichkeiten zwischen Stimulus und physikalischer Antwort der Probe ermöglichen dann die Erfassung unterschiedlichster funktionaler Eigenschaften der Probe. Dabei muß allerdings berücksichtigt werden, daß die Stimulanz der Probe durch eine Sonde grundsätzlich bedeutet, daß a priori die Probeneigenschaften durch die Anwesenheit der Sonde beeinflußt werden, da sich ja Sonde und Probe in einer physikalischen Wechselwirkung befinden. Diese Wechselwirkung kann im Extremfall sogar destruktiv sein, wie es der Fall wäre, wenn beispielsweise ein biologisches Objekt nicht mit den niederenergetischen Photonen des sichtbaren Lichtes, sondern mit den hochenergetischen harten Röntgenstrahlen analysiert wird. Neben der Wahl einer geeigneten Sonden-Detektor-Kombination ist von grundsätzlicher Bedeutung, gerade für die Untersuchung von Detailstrukturen oder kleiner individueller Objekte, daß Informationen global oder lokal gewonnen werden können. 7

8 Global bedeutet dabei, daß der geometrische Bereich, aus dem die Informationen gewonnen werden, sehr viel größer ist als die strukturelle Dimension, über die man Informationen erhalten möchte. Lokal bedeutet demgegenüber, daß die Analyse eine räumliche Auflösung liefert, die mindestens hoch genug ist, um die individuelle, zu analysierende Struktur aufzulösen. Dabei ist bemerkenswert, daß nicht nur geometrisch hochauflösende mikroskopische Verfahren Informationen über ultrakleine Strukturen liefern. Möglich wird die Deduktion struktureller Detailinformationen auch aus global gewonnenen Daten dann, wenn hinreichend viele der zu analysierenden Strukturelemente in identischer oder ähnlicher Anordnung mit einer flächigen Sonde wechselwirken. Dieser Sachverhalt wird bei den sogenannten Streu- und Beugungsverfahren ausgenutzt. So lassen sich etwa mit einem großflächigen Röntgenstrahl die interatomaren Abstände innerhalb eines Festkörpers mit einer Präzision, die Bruchteilen des atomaren Durchmessers entspricht, aus den gebeugten Röntgenstrahlen ableiten. Auch zur Strukturbestimmung an biologischen Bausteinen, wie etwa bei Proteinen, können derartige Beugungsexperimente dienen, wobei stets der Sondendurchmesser, also etwa der Durchmesser des verwendeten Röntgenstrahls, bedeutend größer ist als die Abmessungen der zu analysierenden Details. Beugungs- und Sreuexperimente können zwar mit subatomarer Präzision Informationen über strukturelle Details liefern, sind jedoch nicht in der Lage, Informationen über Singularitäten auf atomarer Skala zu liefern. Insbesondere können individuelle ultrakleine Objekte nicht erfaßt werden. Zur Vermessung und Analyse derartiger Objekte sind mikroskopische Techniken erforderlich, die eine hinreichend hohe räumliche Auflösung bieten und damit die in Abb. 4 dargestellten Mechanismen gleichsam in lokaler Weise verwenden. Das benötigte Maß an Lokalisierung wird dabei durch die Größe der zu analysierenden Struktur bestimmt. Streu- und Beugungsmethoden einerseits sowie mikroskopische Verfahren andererseits wurden über die vergangenen Jahrzehnte systematisch soweit entwickelt, daß es heute möglich ist, eine Vielzahl physikalischer, chemischer und biologischer Eigenschaften zwischen atomarer und Mikrometerskala zu analysieren. Aus heutiger Sicht muß man sagen, daß insbesondere die Entwicklung der Rastersondenverfahren in den achtziger Jahren Möglichkeiten geschaffen hat, mit vergleichsweise geringem Aufwand einen Zugriff auf individuelle Objekte auf atomarer Skala zu erhalten. Das Rastertunnelmikroskop wurde 1982 entwickelt. Diese Entwicklung wurde

9 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Bis heute ist auf der Basis des Funktionsprinzips des Rastertunnelmikroskops eine ganze Familie von Rastersondenverfahren entstanden, die es erlauben, auf die in Abb. 4 dargestellten Untersuchungsverfahren lokal, bis hin zur atomaren Skala, zuzugreifen. Die Rastersondenverfahren sind, wie wohl keine andere Methodenklasse zuvor, unentbehrliche Werkzeuge für die Nanostrukturforschung geworden. Insbesondere ist es möglich geworden, ausgehend vom Größenbereich typischer technischer Gegenstände bis hinunter zur atomaren Skala, die Struktur eines gegebenen Objektes zu analysieren (Abb. 5). Abb. 5: Unter Verwendung moderner Rastersondenverfahren, kombiniert mit anderen Abbildungsmethoden, lassen sich makroskopische technische Objekte bis hinunter in den atomaren Bereich analysieren. 9

10 Abb. 6: In der Nanoanalytik bestehen spezifische Anforderungen an das Auflösungsvermögen und die Sensitivität der entsprechenden Verfahren. Rein geometrisch bezeichnet die Vorsilbe nano den Größenbereich zwischen dem millionsten und dem tausendsten Teil eines Millimeters. Dieses ist eben, wie bereits dargelegt, jener Bereich, in dem viele funktionale Baueinheiten der belebten und unbelebten Materie ihre charakteristischen Eigenschaften akquirieren. Der Nanostrukturforschung kommt in dieser Hinsicht eine fundamentale Bedeutung zu. Von größter Wichtigkeit ist die Verfügbarkeit von Verfahren, die es ermöglichen, auf Nanometerskala Strukturen geometrisch zu charakterisieren und bezüglich ihrer funktionalen Eigenschaften zu analysieren. Abbildung 6 resümiert schematisch die damit verbundenen sehr komplexen Rahmenbedingungen für nanoanalytische Verfahren. In der Regel erfordert ein vollständiges Verständnis der funktionalen Eigenschaften einer Nanostruktur Untersuchungen auf verschiedenen räumlich-zeitlichen Eigenschaftsebenen. So sind neben den rein geometrische Eigenschaften physikalische, chemische und biologische Eigenschaften von Interesse. Darüber hinaus muß häufig die dynamische Entwicklung eines Phänomens betrachtet werden. Allgemein findet also die Analyse einer gewissen Eigenschaft im Orts-Zeit-Kontinuum statt, wobei die örtliche und zeitliche Auflösung des verwendeten analytischen Verfahrens dem zu untersuchenden Phänomen angepaßt sein muß. So beginnt unter Umständen der physikalische Alterungsprozeß eines Materials irgendwo innerhalb des Materials auf atomarer Skala, schreitet aber vielleicht nur im Verlauf von Jahren soweit voran, daß 10

11 es zu makroskopischen Konsequenzen kommt. Zur Analyse bietet sich daher ein hinreichend hochauflösendes mikroskopisches Verfahren an, welches jedoch nicht in der Lage sein muß, eine hohe zeitliche Auflösung zu liefern. Betrachtet man hingegen z. B. den zeitlichen Verlauf der molekularen Reorientierung von Wassermolekülen, so benötigt man ein Verfahren, welches zwar keine sonderlich hohe Ortsauflösung liefern muß, dafür aber in der Lage ist, Zeitintervalle von weniger als einer billionstel Sekunde zu erfassen. Abbildung 7 zeigt anhand einiger Beispiele exemplarisch, daß heute Verfahren zur Erfassung unterschiedlichster funktionaler Eigenschaften zur Verfügung stehen, die einerseits räumlich eine atomare Auflösung liefern können oder andererseits in der Lage sind, dynamische Prozesse mit einer zeitlichen Auflösung im Femtosekundenbereich oder darunter zu erfassen. Abb. 7: Ein vollständiges Verständnis der funktionalen Eigenschaften einer Nanostruktur erfordert eine Charakterisierung innerhalb verschiedener räumlich-zeitlicher Eigenschaftsebenen. 11

12 Abb. 8: Das chinesische Schriftzeichen für Zentrum, Mitte, geschrieben mittels eines Rasterkraftmikroskops aus DNA-Molekülen. Zu einem erheblichen Aufschwung der Nanostrukturforschung führte die Entwicklung der Rastersondenverfahren deshalb, weil sie es ermöglichen, Struktur-Eigenschafts- Beziehungen an Nanoobjekten und selbst individuellen Molekülen und Atomen zu analysieren. Bei Wahl entsprechend hoher Sonden-Proben-Wechselwirkung ist es allerdings auch möglich, ein Rastersondenverfahren zur Manipulation der Materie auf atomarer und Nanometerskala zu verwenden, wobei manipulative Maßnahmen grundsätzlich entsprechend der in Abb. 4 dargestellten Wechselwirkungen durchgeführt werden können. Die Rastersondenverfahren sind damit mehr, als nur Augen im Nanokosmos. Sie sind vielmehr echte Werkzeuge, die es gestatten, einzelne Atome, Moleküle oder Nanoobjekte zu manipulieren, wie dies in Abb. 8 exemplarisch dargestellt ist. Die weitere Entwicklung der Nanowerkzeuge wird in erheblichem Maße die Realisierung nanotechnologischer Verfahren und damit auch nanobiotechnologischer Ansätze bestimmen. 12

13 III. Nanotechnologie Gemäß dem heutigen Sprachgebrauch bezeichnet Nanotechnologie sowohl die Lehre von der Entwicklung der Nanotechnik unter Berücksichtigung der daraus resultierenden sozioökonomischen Veränderungen als auch im engeren Sinne die entsprechende technische Verfahrenskunde. Diese breitangelegte Bedeutung des Begriffs impliziert bereits, daß davon auszugehen ist, daß die Nanotechnologie einen umfassenden Einfluß auf alle Lebensbereiche gewinnen wird (vgl.: R.W. Siegel, E. Hu and M.C. Roco (Eds.), Nanostructure Science and Technology - A Worldwide Study, WTEC Report, 1999 sowie M.C. Roco, R.S. Williams and P. Alivisatos (Eds.), Nanotechnology Research Directions, IWGN Workshop Report, 1999). Um diesen Aspekt zu beurteilen ist es zunächst einmal erforderlich, aus technischer Sicht die resultierenden Möglichkeiten zu bewerten. Der Grundgedanke aller nanotechnologischen Ansätze besteht darin, Zugriffsmöglichkeiten auf elementare Bausteine der Materie und ihre Selbstorganisation zu nutzen. Damit ergibt sich eine Kontrolle des Aufbaus der Materie auf atomarer Skala. Diese Kontrolle kann dazu benutzt werden, makroskopische Eigenschaften durch Vorgaben auf atomarer Skala gezielt zu etablieren. Dabei lassen sich Baupläne und Ordnungsprinzipien der Natur sukzessive für neue Materialien, Bauelemente, Schaltkreise, Systeme und Architekturen nutzen. Die Abmessungen relevanter funktionaler Einheiten sind hierbei typisch etwa tausendfach kleiner als diejenigen von Mikrosystemenbauelementen. Eine inhärente Basis vieler nanotechnologischer Konzepte ist das hohe Maß an Interdisziplinarität, welches eine Vereinigung der Möglichkeiten physikalischer Gesetze, chemischer Stoffeigenschaften und biologischer Prinzipien zum Gegenstand hat (vgl.: G. Bachmann, Innovationsschub aus dem Nanokosmos, VDI-TZ, 1998). Wie in Abb. 9 dargestellt, lassen sich prinzipiell funktionale Nanostrukturen durch sukzessives Herunterskalieren von Makro- und Mikrostrukturen, d.h. mittels eines Top-Down-Ansatzes genauso erzeugen wie durch Bottom-Up-Ansätze, die einzelne Atome oder Moleküle als Bausteine verwenden. Top-Down-Ansätze entsprechen der klassischen Verfahrensweise in der Festkörpertechnologie während Bottom-Up-Ansätze dem Vorgehen auf Basis der supramolekularen Chemie entsprechen. Es gibt heute sowohl hinsichtlich der physikalisch-technischen Vorgehensweise als auch hinsichtlich der chemischen Vorgehensweise Beispiele für die 13

14 Abb. 9: Moderne Methoden der Festkörpertechnologie und der supramolekularen Chemie erlauben es, gezielt Strukturen im Nanometerbereich herzustellen. Dieser Größenbereich ist relevant für eine ganze Reihe wichtiger biologischer Funktionseinheiten. Fabrikation funktionaler Einheiten mit kritischen Dimensionen im Nanometerbereich, also in einem Größenbereich, in dem sich auch eigenschaftsbestimmende Organisationseinheiten biologischer Systeme, wie etwa Proteine, befinden. Die zehn Dekaden, die annähernd zwischen der Größe eines einzelnen Atoms und der Größe eines Menschen liegen, sind hinsichtlich ihrer Bedeutung für biologische Systeme einerseits und für moderne Festkörperfabrikationsmethoden andererseits in Abb. 10 dargestellt. Der Bereich, in dem sowohl in der belebten als auch unbelebten Natur charakteristische Funktions-Eigenschafts-Relationen ausgebildet werden, liegt zwischen einem Nanometer und hundert Nanometern. Dies ist, festgemacht an den entsprechenden kritischen Dimensionen einer funktionalen Einheit, der Bereich in dem die wesentlichen nanotechnologischen Prozeßschritte ablaufen. Gleichzeitig ist dies auch der Bereich, der eine Reihe von bedeutsamen biologischen Funktionseinheiten, wie etwa Proteine oder Viren, umfaßt. Gerade die Möglichkeit mit entsprechenden Verfahren und Werkzeugen auf Nanometermaßstab Materie gezielt zu manipulieren und damit in einen Größenbereich vorzustoßen, in dem sich auch wichtige biologische Funktionseinheiten befinden, eröffnet völlig neuartige technologische Möglichkeiten und ist im besonderen auch die Basis für die Nanobiotechnologie. 14

15 Voraussetzung für die Entwicklung nanotechnologischer und im besonderen auch nanobiotechnologischer Ansätze ist also die Verfügbarkeit geeigneter Nanowerkzeuge, wie etwa der Rastersondenverfahren. Abbildung 11 zeigt am Beispiel einer Fabrikationsmethode, wie sie in der modernen Halbleiterelektronik verwendet wird, ein Beispiel für Strukturen, die auf der Basis eines rein anorganischen Materialsystems hergestellt wurden und in ihren kritischen Dimensionen in der Größenordnung funktionaler biologischer Strukturen liegen. Es ist evident, daß sich durch Kombination entsprechender biologischer Funktionseinheiten und technisch präparierter Bauelemente gänzlich neue Anwendungen erschließen lassen. Daß es allerdings auch möglich ist, biologische Bausteine direkt auf Nanometermaßstab mit entsprechenden Nanowerkzeugen zu manipulieren, zeigt Abb. 12. Auf diese Weise lassen sich biologischen Bausteinen, unter Umständen in Kombination mit anorganischen Komponenten, Eigenschaften verleihen, die ihnen von Natur aus, d. h. in ihrer nativen Anwendung, nicht zugedacht sind. Abb. 10: Zwischen der Größe eines Atoms und derjenigen eines Menschen liegen etwa zehn Dekaden auf der Längenskala. In den vergangenen Jahren haben erhebliche Fortschritte bei den festkörpertechnologischen Fertigungsmethoden dazu geführt, daß der Nanobereich, der Bereich zwischen einem und hundert Nanometern, technologisch zugänglich gemacht wurde. 15

16 Abb. 11: Lithographisch hergestellte Struktur aus Gold auf Silicium im Größenvergleich zum Facettenauge einer Fliege. Das Aufeinanderzubewegen von Festkörpertechnologie und supramolekularer Chemie in bezug auf charakteristische Größenordnungen, wie in Abb. 8 dargestellt, wird ergänzt durch beachtliche Fortschritte bei der theoretischen Beschreibung auch komplexer Systeme. Das Scientific Computing erlaubt es heute, auch Systeme auf Abb. 12: Nanobiotechnologische Verfahren erlauben es, biologische Strukturen und Materialien in eine Konfiguration zu bringen, die ihnen von der Natur nicht zugedacht wurde und die gleichzeitig technisch bedeutsame Eigenschaften impliziert. Links ist sichtbar die rasterkraftmikroskopische Abbildung eines ungeordneten DNA-Knäuls, während das rechte Bild ein relativ regelmäßiges Muster aus einzelnen gestreckten DNA-Strängen zeigt. 16

17 Abb. 13: Disziplinäre Wurzeln der Nanostrukturforschung und Nanotechnologie. Nanometerskala, d. h. durchaus Systeme mit Millionen von Atomen, unter realistischen Rahmenbedingungen zu modellieren. Im besonderen ist dies auf der molekulardynamischen Eigenschaftsebene möglich. Neue transdisziplinäre Bereiche, wie die Bioinformatik oder auch die Cheminformatik, spezialisieren sich auf diesen Aspekt. Dabei ist immer primärer Gegenstand der Bemühungen der Versuch, auch komplexe Eigenschaften funktionaler Einheiten auf Nanometerskala numerisch zu erfassen. Die Nanotechnologie hat also, wie in Abb. 13 dargestellt, ihre Wurzeln einerseits in den klassischen Natur- und Ingenieurwissenschaften und andererseits in den Lebenswissenschaften. Aufgrund der Notwendigkeit, Nanosysteme letztendlich an die technologische Welt anzukoppeln sowie auch aufgrund der zugrunde liegenden Topdown-Ansätze ist zusätzlich die Mikrosystemtechnik, die ja ihrerseits bereits ein multidisziplinärer Forschungs- und Entwicklungsbereich ist, eine Basis für die Nanotechnologie (vgl.: G. Timp (Ed.), Nanotechnology, Springer, New York, 1999). 17

18 IV. Nanobiotechnologie Würde der Begriff Nanobiotechnologie im Sinne der bisherigen Ausführungen die Lehre von der Entwicklung der Biotechnologie und ihren gesellschaftlichen Implikationen sowie die technische Verfahrenskunde unter besonderer Berücksichtigung nanoskaliger Objekte bezeichnen, so wäre diese einschränkende Begriffsbestimmung wenig hilfreich, da die Biotechnologie in aller Regel Prozesse auf Nanometerskala mit einbezieht. Schließlich ist, wie bereits ausgeführt, gerade die Nanometerskala von höchster Bedeutung für die Akquisition bestimmter Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bei biologischen Bausteinen. In diesem Sinne wäre unter Umständen die Bezeichnung Bionanotechnologie unter Umständen treffender für das im folgenden spezifizierte technologische Umfeld. Andererseits ist dieses durchaus gekennzeichnet durch eine Verknüpfung nanotechnologischer Resultate mit klassischen biotechnologischen Ansätzen. Unter Nanobiotechnologie ist also nicht Biotechnologie zu verstehen, sondern Nanotechnologie unter Nutzung von Bauplänen und Ordnungsprinzipien der Natur (Nano-Biomimetik), unter Verwendung biologischer Bausteine und Materialien, in Kombination mit oder zur Unterstützung von biotechnologischen Prozessen, zur Realisierung biokompatibler und biofunktionaler Materialien und Systeme, zur Synthese biologischer Bausteine durch molekularen Aufbau. Im Idealfall läßt sich in einen nanobiotechnologischen Produktionsprozess ein kompletter biotechnologischer Verfahrensschritt, wie in Abb. 14 dargestellt, mit einbeziehen. Nehmen wir an, es sollen Flüssigkristalle mit bestimmten makroskopischen Eigenschaften auf der Basis von Proteinen hergestellt werden. Die makroskopischen Eigenschaften, z. B. eine optische Anisotropie, haben ihre Ursache in der Struktur und den Eigenschaften der nanometergroßen Proteine sowie in der geordneten Ansammlung der Proteine, die ebenfalls ihren Ursprung auf der Nanometerskala hat. Zur Herstellung der Proteine greift man, wie in Abb. 14 dargestellt, auf etablierte biotechnologische Standardverfahren zurück, welche die entsprechende Sekretion des gewünschten Proteins zum Ergebnis haben. Danach führt ein weiterer, nunmehr typisch nanotechnologischer Produktionsschritt, zur Selbstorganisation der hergestellten Proteine in einer genau definierten Weise, welche die gewünschten makro- 18

19 Abb. 14: Beispiel einer Nanobiotechnologischen Prozeßroute unter Einbeziehung eines kompletten biotechnologischen Schrittes. skopischen optischen Eigenschaften aufgrund einer Selbstorganisation der Proteine in Form eines Flüssigkristalls zur Folge hat. Die Kombination der nanotechnologischen Fragestellung, der biotechnologischen Prozeßroute und des anschließenden Selbstorganisationsprozesses, der ein typischer nanotechnologischer Prozeßschritt ist, stellt exemplarisch das Vorgehen in der Nanobiotechnologie dar. Gerade im Bereich der Nanobiotechnologie kommt den Bottom-Up-Ansätzen, d. h. der Herstellung von individuellen Nanostrukturen und nanostrukturierten Materialien durch sukzessives Gruppieren einzelner elementarer Bausteine, eine besondere Bedeutung zu. Wie in Abb. 15 dargestellt, führt das gezielte Arrangement einzelner Atome oder Moleküle zunächst zur Synthese von Nanopartikeln oder auch -schichten. Diese gruppieren sich weiter zu komplexeren Nanostrukturen, die letztendlich Ausgangspunkt für individuelle funktionale Komponenten oder auch komplette Nanokomposite sind. Ein wesentlicher Aspekt nanotechnologischer Ansätze gegenüber der Nanostrukturforschung als Grundlage der Nanotechnologie besteht darin, daß die dargestellte Prozeßroute das Potential für eine echte Massenproduktion inhärent repräsentieren muß. Dieser Aspekt erweist sich aus heutiger Sicht durchaus als kritisch, da viele Verfahren, die im Rahmen der Nanostrukturforschung zur Herstellung von Nanostrukturen verwendet und evaluiert werden, zunächst keinerlei Potential für eine Massenproduktion, d. h. für eine Parallelisierung, bieten. So bietet 19

20 das Verschieben einzelner Moleküle mit einem Rastersondenmikroskop aufgrund der seriellen Vorgehensweise zunächst kein direktes Potential für eine Massenproduktion, wohl aber der parallele Einsatz tausender von Rastersondenwerkzeugen. Der Ablauf vieler biologischer Prozesse lehrt uns, daß das größte Potential für Bottom-Up-Nanoproduktionsmethoden in der Nutzung von Selbstorganisationsprozessen liegt. Die Selbstorganisation in biologischen Systemen realisiert die Produktion äußerst komplexer Nanostrukturen bei hoher Defekttoleranz, hoher Reproduktionsrate und unter Ausnutzung von Nichtgleichgewichtsprozessen. Der Erforschung und Nutzbarmachung von Selbstorganisations- und Autoreproduktionsprozessen in Systemen der belebten und unbelebten Natur kommt somit als eine der Disziplinen der Nanostrukturforschung eine eminente Bedeutung zu. Schon immer haben grundsätzlich neue Fabrikationsmethoden unsere Industriegesellschaft revolutioniert. Beispiele für große gesellschaftliche Umwälzungen aufgrund neuer technischer Produktionsverfahren sind etwa die Bronzezeit, die Entwicklung von Möglichkeiten zur Stahlerzeugung oder auch die Entwicklung der Siliciumtechnologie. Es ist zu erwarten, daß auch die Nanobiotechnologie in erheblicher Weise zu gravierenden Veränderungen unserer gesellschaftlich-technologschen Kultur beitragen wird. Abbildung 16 illustriert am Beispiel der Mikroelektronik, die derzeit ein Baueinheiten Atome Synthese Nanoteilchen Lagen hoher biologischer Anteil geringer biologischer Anteil Kollektiv Nanostrukturen Dispersionen und Beschichtungen Materialien großer Oberflächen Kompakte Materialien Abb. 15: Konzept des Molecular Engineering. 20

21 finanzielles Volumen von ca. 200 Milliarden US-Dollar p. a. repräsentiert, wie etablierte anorganische Materialsysteme durch biologisch-organische Baueinheiten, Systeme und Materialien substituiert werden könnten und damit nicht nur klassische Materialsysteme bei gegebenem Anwendungsumfang substituieren, sondern darüber hinaus gänzlich neue Produkte und Anwendungen eröffnen. Im genannten Bereich der Mikroelektronik sind die Molekularelektronik, Kunststofftransistoren und Laser sowie organische Bauelemente im allgemeinen Vorboten einer entsprechenden Entwicklung. Insbesondere in Anbetracht einer Entwicklung, die darauf abzielt, zukünftig quantenlektronische Eigenschaften für die Konzeption von Bauelementen zu nutzen, ist es durchaus vorstellbar, daß die Siliciumtechnologie in gewisser Weise einen ähnlichen Weg geht, wie die Stahlindustrie bereits heute. Stahl ist zwar heute ein universell einsetzbarer und kostengünstiger Werkstoff, aber andere Technologien, basierend auf Aluminium oder Kunststoffen sind in einigen Bereichen der Stahltechnologie aufgrund von Kosten- oder Leistungsmerkmalen deutlich überlegen. Trotz dieser Alternativen koexistiert die Stahltechnologie mit diesen anderen Technologien und bildet nach wie vor in gewisser Weise den zentralen Bereich unserer derzeitigen Technologiekultur. Eine Verdrängung der siliciumbasierenden Technologie könnte partiell entstehen durch alternative Konzepte der Informationsverarbeitung. Eine Killertechnologie könnte jedoch auf Dauer durchaus durch Polymeroder Kunststoffbauelemente entstehen, die zumindest bei Verfügbarkeit geeigneter hochauflösender Druckverfahren das Potential für extrem niedrige Fertigungskosten hätten. Am Beispiel der Mikroelektronik wird deutlich, daß die Nanobiotechnologie keineswegs auf den engeren Bereich der heutigen Biotechnologie in ihrem Potential beschränkt ist, sondern in umfassender Weise in viele technologische Bereiche eingreifen könnte (vgl.: 21

22 V. Zwischen Visionen und ersten Produkten Die Entwicklungsperspektive in der Nanobiotechnologie ist derzeit geprägt durch die Situation, daß einerseits bereits erste Produkte, die auf nanobiotechnologischen Verfahrensschritten beruhen, am Markt sind und andererseits hinsichtlich der kühnsten Visionen noch nicht einmal abgeschätzt werden kann, ob sie jemals realisierbar sein werden. Was die Relevanz von Visionen betrifft, so sollte allerdings in der Bewertung zunächst einmal nur maßgeblich sein, daß a priori alles möglich ist, was nicht gegen Naturgesetze verstößt und alles realisiert werden sollte, was sich als wünschenswert erweist. Damit besteht die Problematik der Realisierung im wesentlichen in den bestehenden Know-How-Defiziten sowie in der Schwierigkeit, die Nützlichkeit technologischer Entwicklungen umfassend und prospektiv abzuschätzen. Insbesondere der Technikfolgenabschätzung kommt in diesem Sinne eine nicht zu unterschätzende Bedeutung zu. Konsens besteht jedoch dahingehend, daß davon auszugehen ist, daß die Nanotechnologie im allgemeinen und die Nanobiotechnologie im besonderen in absehbarer Zeit unfassend in alle Lebensbereiche eingreifen wird (vgl.: R.W. Siegel, E. Hu and M.C. Roco (Eds.), Nanostructure Science and Lithographie Mikroelektronik Depositonen Ätzen Silicium Aluminium Kupfer Bor Phosphor $200 Mrd. P.a. Proteine, Antikörper, Polymere, Elektrolyte, Gläser, Fluide, Monolagen, Fluorophore, Zellen, Gewebe Nanotechnologie Forschung und Erkenntnisgewinn Technologie und Industrie Abb. 16: Langfristig könnten biologische Funktionseinheiten geeignet sein, neue Konzepte im Bereich der Elektronik, Sensorik und Informationsverarbeitung zu eröffnen. 22

23 Technology - A Worldwide Study, WTEC Report, 1999 sowie M.C. Roco, R.S. Williams and P. Alivisatos (Eds.), Nanotechnology Research Directions, IWGN Workshop Report, 1999) Der fundamentalste Gegenstand nanotechnologischer und nanobiotechnologischer Ansätze besteht darin, Baupläne und Ordnungsprinzipien der Natur in umfassender Weise zur Herstellung technischer Produkte zu verwenden. Dabei geht es insbesondere um eine konsequente Nutzung von Selbstorganisations- und Autoreproduktionsprozessen, wie sie bei der Enstehung der komplexen biologischen Funktionseinheiten realisiert werden. Um hierauf basierende Produktionsmethoden zu entwickeln ist es zunächst einmal essentiell, die Prozesse zu verstehen und zu beherrschen, was Gegenstand intensiver Nanostrukturforschung ist. Ein relativ gut verstandenes Beispiel für einen komplexen Selbstorganisationsmechanismus ist die in Abb. 17 dargestellte Entstehung des Tabakmosaikvirus, eines helixförmigen Nanoteilchens mit charakteristischen Dimensionen von 300 nm x 18 nm. Das Virus setzt sich myriadenfach aus 2130 identischen Proteineinheiten zusammen, jede mit 158 Aminosäureresten. Der RNA-Strang besteht aus 6400 Nukleotiden. Gelingt es, Selbstorganisationsprozesse, wie beim Enstehen des Tabakmosaikvirus, zur Herstellung von Nanomaschinen zu benutzen, so eröffnen sich Möglichkeiten, die unsere derzeitige technologische Kultur gänzlich umwälzen würden. Produktionsprozesse wären durch ein Minimum an Materialaufwand, durch ein Maximum an Fehlertoleranz, durch optimale ökologische Rahmenbedingungen und durch ein ho- Abb. 17: Selbstorganisation des Tabakmosaikvirus. 23

24 Abb. 18: Schematische Darstellung eines aus biologischen Funktionseinheiten komponierten Rotationsantriebes (Montemagno, NBTC Cornell). hes Maß an Adaptivität geprägt. Die Herstellung von Funktionseinheiten, Bauelementen und Materialien würde in Molekularfabriken stattfinden. Molekulare Maschinen wie beispielsweise der in Abb. 18 schematisch dargestellte Motor würden ihre Energie aus chemischen oder photochemischen Reaktionen beziehen oder ganz einfach aus der termischen Anregungsenergie. Die sich selbst organisierenden Motoren könnten myriadenfach auf nanostrukturierten funktionalisierten Festkörperoberflächen wiederum durch Selbstorganisationsprozesse angeordnet werden, um ein komplexes Logistiksystem zu realisieren (Abb. 19). In ähnlicher Weise sind auch Linearantriebe auf Nanometerskala realisierbar, indem gezielt das Adressieren und Lösen bestimmter Bindungspositionen genutzt wird (Abb. 20). Molekulare Maschinen ihrerseits können in großer Anzahl benutzt werden, um in Molekularfabriken komplexe Gesamtsysteme mit einer Ankopplung an die Mikrosystemtechnik und damit an die makroskopische Welt zu realisieren. 24

25 Nicht nur im Bereich mechanischer Maschinen sondern auch im Bereich der Elektronik könnten nanobiotechnologisch hergestellte Bauelemente zu einer industriellen Umwälzung führen (vgl.: html). Gegenstand der Bemühungen sind letztendlich insgesamt Maschinen, die mit einer gewissen Sensorik, Aktorik und Eigenintelligenz ausgestattet sind. Das menschliche Hirn als informationsverarbeitendes biologisches System arbeitet mit etwa Operationen pro Sekunde bei Interconnects mit ultraniedriger Leistungsaufnahme auf der Basis defekttoleranter und selbstheilender Mechanismen. Ein Gramm DNA wiederum würde den gesamten literarischen Inhalt der größten weltweit verfügbaren Nanofabrizierte Stäbe Präzisionspositionierung Nanofabrizierte Verankerungspunkte Abb. 19: Eine große Anzahl durch Selbstorganisation angeordneter Nanomaschinen liefert Anbindungsmöglichkeiten an die Mikrosystemtechnik und damit an die makroskopische Welt (Montemagno, NBTC Cornell). 25

26 Cargo Bindungs- Position Abb. 20: Linearantriebe lassen sich ebenfalls auf nanobiotechnologischer Basis realisieren (Montemagno, NBTC Cornell). Bibliotheken speichern. Es ist evident, daß sich angesichts dieser außerordentlichen Leistungsfähigkeit biologischer Systeme langfristig ausgerichtete nanotechnologische Ansätze auf den direkten Einsatz von biologischen Bausteinen auf breiter Front, zum Teil in Kombination mit Festkörpertechnologie, und auf die Entwicklung bioinspirierter Ansätze wie zum Beispiel neuronale Netzwerke, oder auf biomimetische Vorgehensweisen, etwa bei der Materialentwicklung, konzentrieren sollten. Aus Sicht maximaler Miniaturisierung bei maximaler Funktionalität der Organisationseinheit würden biologische Moleküle die ultima ratio für elektronische Bauelemente darstellen. In der Tat gibt es eine Fülle vielversprechender Resultate der Grundlagenforschung, die auf der Basis molekular-elektronischer und photochemischer Ansätze weitere Forschungen in diesem Bereich massiv rechtfertigen. Als ein biologischer Baustein mit erstaunlichen physiko-chemischen Eigenschaften kommt gerade dem DNA-Molekül eine besonders universelle Bedeutung zu (vgl.: Ch. Niemeyer, DNA als Konstruktionsmaterial für die Nanotechnologie, Nachrichten aus der Chemie 48, 1466, 2000). Gerade in jüngster Zeit wurden große Fortschritte erzielt bei der Deposition von DNA-Molekülen auf Festkörperoberflächen in geordneten Nanomustern (Abb. 21). Das evolutionär ausgewählte Molekül könnte sich 26

27 Abb. 21: Rasterkraftmikroskopisch erzeugter Schriftzug aus einzelnen DNA-Molekülen. durchaus als universelles Konstruktionsmaterial für die Nanotechnologie erweisen. Vorstellbar wäre, die Synthese komplexer technischer Bauteile, die sich durch bestimmte funktionale Eigenschaften, wie etwa eine bestimmte Geometrie oder eine große relative Oberfläche, auszeichnen, direkt unter Verwendung von Biomolekülen. Erste diesbezügliche Ansätze erscheinen durchaus vielversprechend wie in Abb. 22 dargestellt. Alle genannten Visionen basieren darauf, in Form bioinspirierter, biomimetischer und biokomponierter Systeme evolutionär entwickelte Ordnungs- und Funktionsprinzipien direkt technisch nutzbar zu machen. 27

28 Wie bereits erwähnt, lassen sich außerordentlich interessante nanobiotechnologische Ansätze dadurch konzipieren, daß im Idealfall komplette biotechnologische Verfahrensschritte in die Fabrikation nanotechnologischer Bauelemente oder Materialien mit einbezogen werden. Zwei diesbezügliche Beispiele, welche die Produktion kristalliner Nanopartikel in Bakterien zum Gegenstand haben, sind in Abb. 23 dargestellt. Derartige Nanopartikel sind von Bedeutung für die Konzeption individueller Bauelemente, aber auch in Form kolloidaler Systeme oder nanostrukturierter kompaktierter Materialien. Die bakteriengestützte Synthese ist interessant in mehrfacher Hinsicht. Zum einen können teilweise Eigenschaften erzielt werden, die beispielsweise bei naßchemischen Präparationsmethoden nicht erzielbar sind. Dies könnte die Monodispersivität betreffen, wie auch das durch die Bakterien in natürlicher Weise dargestellte organometallische Komposit, welches durchaus interessant für verschiedene Dünnschicht- und Oberflächentechnologien sind. Darüber hinaus ließen sich verschiedene Metall-Recycling-Konzepte, aber auch Medikamentendepositionskonzepte vorstellen. Aspekte der Biosynthese metallischer oder oxidischer Kristalle haben insbesondere dann eine nanobiotechnologische Komponente, wenn auf der Basis der synthetisierten Nanopartikel gezielt weitere, nichtbiotechnologische Prozeßschritte durchgeführt werden. Abb.22: Molekulare Architekturen aus DNA (links; Y. Zhang und N.C. Seeman, J. Am. Chem. Soc. 116, 1661, 1994) und pilzförmigen Clustern (S. I. Stupp et al., Science 276, 384, 1997). 28

29 Abb. 23: Bakteriengestützte Biosynthese metallischer und oxidischer Nanopartikel. Die Synthese von Silberpartikeln innerhalb des Bakteriums Pseudomonas Stuceri AG 259 zeigt das linke Bild (T. Klaus et al., Proc. Nat l. Acad. Sci. USA 96, 13611, 1999). Magnetotaktische Bakterien nutzen eindomänige Magnetitpartikel zur Orientierung im Erdmagnetfeld. Die Abbildungen des Bakteriums Magnetospirillum Magnetotecticum MS-1 rechts zeigen Details der Paartikelanordnung sowie in einer elektronenholographischen Aufnahme die Verteilung magnetischer Feldlinien (Dunin- Borkowski et al., Science 282, 1868, 1998). Bereits heute auf dem Markt befindliche Produkte mit nanobiotechnologischer Relevanz werden durch Abb. 24 repräsentiert. Die Genpistole" verwendet auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigte DNA-beschichtete Nanopartikel, um genetisches Material in pflanzliche oder tierische Zellen zu transferieren. Die Goldnanopartikel werden durch eine Ultraschallexpansion eines Heliumgasreservoirs beschleunigt und penetrieren dann aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie sowohl die Zell- als auch die Zellkernmembran. Die Deposition von Wirkstoffen unter Verwendung anorganischer Nanopartikel als Trägermaterialien wird ebenfalls bereits heute kommerziell eingesetzt. Hier sind in naher Zukunft erhebliche Fortschritte bei der Konzeption intelligenter Trägersysteme zu erwarten, wobei insbesondere die Überwindung biologischer Barrieren ein primäres Ziel ist. 29

30 Blutstrom Abb. 24: Nanobiotechnologische Ansätze sind bereits von großer Bedeutung für schon heute auf dem Markt befindliche Produkte. Dazu gehören die Genpistole (BioRad- Laboratorien) und Medikamente, deren Wirkstoffe in Form von Nanopartikeln als Trägersysteme deponiert werden. Biokatalysatoren und biokomponierte Filtermaterialien können wirkungsvoll einen Teil der herkömmlichen Konzepte substituieren (Abb. 25). Aus nanobiotechnologi- Abb. 25: Bioinspirierte Ansätze spielen eine große Rolle bei der Konzeption hocheffizienter Filtermaterialien, katalytischer Prozesse und auch elektrochemischer Verfahren. Die Abbildung zeigt ein neuartiges Konzept zur Meerwasserentsalzung (Biosource Inc.). 30

31 Abb. 26: Mikroemulsionsverfahren als bioinspirierter Ansatz zur Herstellung von Nanopartikeln (Hempelmann, Universität des Saarlandes). scher Sicht sind im allgemeinen bioinspirierte Verfahren zur Herstellung funktionaler anorganischer Materialsysteme von besonderer Bedeutung. Das in Abb. 26 dargestellte Mikroemulsionsverfahren verwendet einen mizellaren Reaktionsmechanismus, der die Herstellung einer großen Palette oxidischer Materialien gestattet. Insbesondere die Qualität der so erzeugten Größenverteilung der Nanopartikel macht das Verfahren zu einer äußerst vielversprechenden Alternative gegenüber anderen Herstellungsverfahren. Komposite aus anorganischen Nanopartikeln und vernetzenden Biopolymeren (Abb. 27) gestatten die Herstellung von Funktionswerkstoffen mit gänzlich neuartigen Eigenschaften, wobei insbesondere die Biokompatibilität eines der vorrangigen Ziele darstellt. Beachtliche Impulse für den Bereich der Prothetik, aber auch für die Konzeption neuartiger anorganisch/organischer Hybridsysteme lassen sich auf der Basis der Biokomposite erwarten. 31

32 Abb. 27: Biokomposite, die beispielsweise aus durch Biopolymere vernetzten keramischen Nanopartikeln bestehen, sind die Basis für vollständig neuartige Funktionswerkstoffe. Eine exemplarische nanobiotechnologische Anwendung stellen auch die in Abb. 28 dargestellten biologischen und biochemischen Sensoren und Detektoren dar. Ziel im Bereich der Sensorik ist es, durch Kombination nano- und biotechnologischer An sätze Bauelemente zu konzipieren, welche zuverlässig die Detektion einzelner Moleküle gestatten. Ein vielversprechender Ansatz dabei ist die Verwendung eines Feldes mikromechanisch auf Siliciumbasis strukturierter Zungen, die statisch oder in Resonanz oszillierend betrieben werden. Die Adsorption von Molekülen auf den Sensoren, insbesondere aber auch chemische Veränderungen in der Umgebung von Funktionsmolekülen, mit denen die Siliciumstrukturen beschichtet sind, also etwa ein Hybridisierungsvorgang, führen zu statisch oder dynamisch detektierbaren reversiblen Veränderungen der mechanischen Eigenschaften der Sensoren. Die Verfahren können wahlweise kombiniert werden mit einer externen magnetfeldinduzierten Anregung. Der Ansatz ist außerordentlich flexibel und hat das Potential für einen Einzelmolekülnachweis. Die Sensoren sind betreibbar in Gasen oder Flüssigkeiten. Das Meßverfahren läßt sich übertragen auf eine Reihe weiterer meßtechnischer Problemstellungen. 32

33 Hybridisierung Feldinduzierte magnetostatissche Kraft Antikörperbeschichtete ferromagnetische Kugel Probe Magnetspule Abb. 28: Durch Kombination von Festkörpertechnologien und biochemischen Verfahren lassen sich hochempfindliche Sensoren konzipieren. Wie oben dargestellt, können geringfügige Änderungen der mechnanischen Eigenschaften mikrostrukturierter Siliciumzungen verwendet werden, um DNA-Hybridisierungsprozesse zu analysieren (monet.physik.unibas.ch/nose/). Die untere Darstellung zeigt einen biochemischen Sensor, der zusätzlich magnetostatische Mechanismen nutzt (D. R. Baselt et al., Journ. Vac. Sci. Technol. B 14, 789, 1996). Nanobiotechnologisch interessante Systeme beinhalten im allgemeinen organisch/anorganische Grenzflächen. Dies stellt zum einen eine gewisse Problematik hinsichtlich der Kompatibilität dar und eröffnet zum anderen vielfältige neue Prozessierungsperspektiven auf Nanometerskala. Abbildung 29 zeigt exemplarisch die Beschichtung von Silicium, welches ja das Schlüsselmaterial der gesamten Informationstechnologie darstellt, mit einer sich selbst organisierenden organischen Monoschicht. Diese geordnete Monoschicht, die aus einem hochgradig funktionalen Molekültyp bestehen kann, läßt sich nun mittels typischer Festkörperfabrikationsverfahren, wie etwa der Elektronenstrahllithographie oder der Rastersondenlithographie, lokal auf Nanometermaßstab strukturieren. Die Strukturierung beinhaltet beispiels- 33

34 weise die lokale Modifikation der Monolage in chemischer Hinsicht oder auch die komplette Entfernung der organischen Schicht. Die in diesem Sinne funktionalisierte Oberfläche kann nun für weitere Prozessierungsschritte, etwa für die Adsorption oder Deposition einer weiteren organischen oder anorganischen Spezies, oder auch einfach im Sinne einer Maske verwendet werden. Anstelle der globalen Beschichtung des Substrates und der anschließenden Strukturierung bietet sich die lokale Deposition organischen oder biologisch funktionalen Materials über einen Stempelvorgang auf Nanometerskala an (Abb. 30). Derartige Nanoimprint-Verfahren, die ja insbesondere den Vorteil einer Parallelprozessierung haben, liefern bereits erste vielversprechende Resultate. Es ist durchaus zu erwarten, daß Stempelverfahren, insbesondere im Zusammenhang mit der Polymerelektronik, zukünftig eine äußerst kostengünstige Herstellungsmethode für elektronische Bauelemente darstellen werden. Wie in Abb. 31 dargestellt, lassen sich Stempel- und Druckverfahren auf Mikrometerskala auch verwenden, um auf Substraten lokal die Deposition kompletter biologischer Systeme zu stimulieren. Im vorliegenden Fall lassen sich auf diese Weise Nervenzellen ohne jegliche mechanische Manipulation in symmetrisch angeordneten Mustern kultivieren, was insbesondere von Interesse ist für eine Anbindung biologischer Systeme an Elemente der Mikrosystemtechnik. Grenzflächen zwischen biologischen Systemen und der Welt der Mikrosysteme, insbesondere Anbindungen biologischer Funktionseinheiten an mikroelektronische Bauteile, sind von vorrangiger Bedeutung für den großen Bereich der Biochip-Technologie und für Lab-on-a-Chip - Konzepte. Diese bewegen sich zwar heute ausnahmslos bestenfalls im Größenbereich der Mikrosystemtechnik, in Zukunft ist jedoch unter Einbeziehung nanotechnologischer Fertigungsmethoden mit erheblichen Miniaturisierungsschüben zu rechnen. Abbildung 32 zeigt exemplarisch das zugrunde liegende Konzept der Biochip-Technologien. Ziel ist es, bei einem maximalen Grad an Parallelisierung einen hohen Durchsatz bei der biologischen Analytik zu erzielen. Es ist evident, daß damit die Packungsdichte der einzelnen Zellen eines kompletten Probenfeldes nach Möglichkeit so stark erhöht wird, daß die Zellengröße im für die Nanotechnologie relevanten Größenbereich liegt. 34

35 Abb. 29: Durch Selbstorganisation lassen sich Festkörperoberflächen mit einer hochgradig geordneten Monolage organischer Moleküle beschichten. Dies ermöglicht die Strukturierung und Funktionalisierung der Oberfläche bei hoher Ortsauflösung. Anhand der diskutierten Beispiele, die natürlich nur einen kleinen Ausschnitt aus den bislang schon realisierten nanobiotechnologischen Ansätzen und den vielfältigen Visionen geben können, lassen sich verschiedene Hauptstoßrichtungen der Nanobiotechnologie ableiten, die allerdings auf unterschiedlicher Zeitskala an Relevanz gewinnen. Allgemein konzentrieren sich die Aktivitäten im Bereich der Nanobiotech- Abb. 30: Nanoimprint -Verfahren könnten zukünftig eine wichtige Rolle bei der Funktionalisierung und Strukturierung von Oberflächen im Nanometermaßstab spielen, da große Oberflächenbereiche parallel adressiert werden. 35

36 nologie auf biomimetische, biokompatible und biokomponierte Materialien, Biokatalyse, Nanobiopharmazie (Carriersysteme, Gentherapie, Designer-Moleküle, Screening), Nanomedizin/Molekularmedizin (funktionale Materialien und Partikel, Werkzeuge, Prothetik), Bio- und biochemische Sensoren, Bioelektronik, Bioanalytik und Biotechnologie (mit erheblicher Relevanz für Pharmazie, Medizintechnik, Umwelttechnologie, Lebensmitteltechnologie und Textilindustrie; stimuliert allgemein Nachfrage nach geeigneter Meßtechnik), Bioinformatik und bioinspirierte Informationstechnologie. Aus den genannten Hauptstoßrichtungen lassen sich, je nach zeitlicher Perspektive, nun prioritäre Felder wirtschaftlicher Relevanz ableiten. Abb. 31: Selektives Wachstum von Zellen auf durch Stempelverfahren funktionalisierten Festkörperoberflächen (Craighead, NBTC Cornell). 36

37 Beleuchtung Laser/Hochdrucklampe Glasfaser/Objektiv Schleuse Separation Detektion Diskriminierung Hydrostatisch Elektroosmotisch Räumlich (lateral) Fluoreszenz Diffusionsarray Chemolumineszenz Zeitlich (axial) Elektrochemisch Künstliche Gele Mechanisch Kapillarelektrophorese Massenspektrometrie Affinitätschromatographie Pulslänge Pulshöhe Flugzeit Kalorimetrie Abb. 32: Grundlegendes Konzept zur Realisierung von Lab-on-a-Chip-Ansätzen. VI. Wirtschaftliche Bedeutung Viele der diskutierten technologischen Ansätze müssen eher dem Dunstkreis der Nanobiotechnologie zugeordnet werden als dem zentralen Grundgedanken. Letzterer besteht eindeutig darin, mittels geeigneter Verfahrensschritte Zugriff auf individuelle Bausteine auf Nanometerskala zu erlangen. In diesem Sinne ist sicherlich der gezielte Aufbau einer Nanomaschine aus sukzessiv angeordneten Proteinen als nanobiotechnologischer Ansatz zu werten, nicht jedoch der Transport von Arzneimitteln über biologische Barrieren durch Kopplung an Nanopartikel als anorganische Trägersysteme. Im zuletzt genannten Beispiel besteht keinesfalls - und dies bezieht sich letztendlich auf den gesamten Bereich der nanostrukturierten Materialien und der Kolloidchemie - ein Zugriff auf das individuelle Objekt, also in diesem Fall den einzelnen Nanopartikel und seinen Weg durch den Körper. Andererseits ist gerade 37

38 die biologische Selbstorganisation ein Prozeß, der nur dann ablaufen kann, wenn aufgrund von Nichtgleichgewichtsprozessen statistische Mittelwerte über Ensembles identischer oder ähnlicher Baueinheiten gebildet werden können. Maßgeblich für den Selbstorganisationsprozeß sind immer bestimmte Ratengleichungen, die nur dann einen Sinn ergeben, wenn ein genügend großes Ensemble zugrunde gelegt werden kann. Aufgrund eines Selbstorganisationsprozesses würde sich damit nie eine einzige komplexe Nanomaschine synthetisieren lassen, sondern immer nur ein großes Ensemble, bei dem die hohe Defekttoleranz ein Ergebnis der Bildung von Ensemble- Mittelwerten ist. Diese eher akademische Betrachtungsweise verdeutlicht, daß es gerade bei einer Diskussion der wirtschaftlichen Bedeutung der Nanobiotechnologie nicht sinnvoll ist, die Definition des Bereichs zu eng zu fassen. Vielmehr wird es auf absehbare Zeit hinaus so sein, daß die wirtschaftliche Bedeutung gerade bei Produkten in der Peripherie der Nanobiotechnologie sowie auch im Bereich der Zulieferindustrie weitaus am größten sein wird, und nicht im Zentrum im Sinne der strengen Definition der Verfahrenskunde. Die wirtschaftliche Bedeutung der Nanobiotechnologie wird also zunächst darin bestehen, daß sie bis hin zu ihrer vollständigen industriellen Realisierung vorhandene Märkte im peripheren Bereich, also etwa in der Mikrosystemtechnik, im Materialtechnologiebereich, im klassischen Biotechnologiebereich und insbesondere im meßtechnischen Zulieferbereich stärkt oder sogar neu generiert. Im Jahre 1949, also ein Jahr nach der Erfindung des Transistors, war in der Zeitschrift Popular Mechanics zu lesen, daß führende Experten es für nicht ausgeschlossen hielten, daß es zukünftig Computer mit einer Rechenleistung von 5000 Operationen pro Sekunde, einem Gewicht von nur 3000 Pfund und einer Leistungsaufnahme von nur 10 kw geben könnte. Natürlich war es für damalige Experten nicht möglich, den wirklichen Siegeszug des Transistors und der damit verbundenen Technologien, insbesondere der Informationstechnologie abzuschätzen. Heute, etwa fünfzig Jahre später, sind wir es gewöhnt, mit Roadmaps prospektiv die nächste Dekade zu beleuchten, wobei weitere Steigerungen der Leistungsfähigkeit der Siliciumtechnologie geradezu selbstverständlich geworden sind. Das Beispiel verdeutlicht, daß es kaum möglich sein dürfte, abzuschätzen, wohin uns die Nanobiotechnologie in bezug auf ihre industriellen und sozioökonomischen Konsequenzen in fünfzig Jahren geführt haben wird. Die Schwierigkeiten der 38

39 Abb. 33: Die nichtlineare Wachstumsrate der technologischen Möglichkeiten erschwert zuverlässige Technologieprognosen. Prospektion resultieren daraus, daß nicht vorhersehbar ist, mit welcher Beschleunigung der technologische Fortschritt ablaufen wird (Abb. 33). Allgemein wird die wirtschaftliche Bedeutung der Nanobiotechnologie in ähnlicher Weise abzuschätzen sein wie diejenige der Nanotechnologie im allgemeinen. Es ist davon auszugehen, daß die Produktion materieller Güter trotz zunehmendem Dienstleistungsanteil weiterhin eine hohe Bedeutung für die Volkswirtschaften haben wird. Arbeitsplätze entstehen dabei primär dort, wo langfristig angelegte Verknüpfungen von Forschungspotentialen mit Möglichkeiten der produzierenden Wirtschaft bestehen. Die Konkurrenzfähigkeit wird in zunehmendem Maße durch die Technologie und die Innovationsfähigkeit bestimmt, weniger durch die Produkte selbst. Dies bedeutet zunehmend einen Wettbewerb der originellen Ideen. Im Bereich der Nanotechnologie befinden wir uns derzeit in einem offenen Rennen um noch nicht verteilte Märkte. Es bestehen damit Wettbewerbsbedingungen, die es erlauben, Produktionsstätten an jedem geeigneten Ort zu errichten, wobei nicht grundsätzlich bereits etablierte Industrielandschaften die besten Standortbedingungen mit sich bringen. 39

40 Die Nanotechnologie ist eine Querschnittstechnologie mit hohem Innovations- und Anwendungspotential. Kurzfristig ist sicherlich im Sinne obiger Ausführungen mit einem starken Einfluß auf Entwicklungen in Bio- und Gentechnologie, Mikroelektronik und Werkstofftechnologie zu rechnen. Mittelfristig wird die Nanotechnologie namhaft zur Lösung von Problemen mit Querschnittscharakter in den Bereichen Ökologie, Kreislaufwirtschaft, Ressourcenschonung, Energieerzeugung und -speicherung, Gesundheitswesen, Prozeßsicherheit, Information und Kommunikation beitragen. Langfristig sind dann durch gänzlich neue Funktionen gekennzeichnete Produkte mit erheblichen Implikationen für den Arbeitsmarkt des einundzwanzigsten Jahrhunderts zu erwarten. Für die Nanobiotechnologie bedeuten diese Prognosen zur Entwicklung der Nanotechnologie allgemein, daß langfristig wirkliche nanobiotechnologische Produkte, wie etwa aus biologischen Bausteinen aufgebaute Nanomaschinen, bioelektronische Komponenten sowie allgemein biologische Komponenten zur Informationsverarbeitung zu einer Ablösung heute etablierter Industrien führen werden. Auch gänzlich neue Verfahren der Nano- oder Molekularmedizin sowie höchstintegrierte Biochip- Technologien sind eher als langfristige, aber bezüglich ihres Umfanges um so relevantere Perspektiven anzusehen. Bereits mittelfristig ist mit erheblichen Märkten in den Bereiche biomimetische, biokompatible und biokomponierte Materialien, Biokatalyse, Biosensorik und Nanobiopharmazie zu rechnen. Kurzfristig hingegen dürfte die wesentliche Bedeutung nanobiotechnologischer Entwicklungen darin bestehen, daß sie bereits vorhandene Zuliefermärkte, etwa für allgemeine Meßtechnik, für Lasertechnologie, für Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik und auch für biokompatible Materialien stark stimulieren bzw. gänzlich neu definieren. Dieser Effekt ist in seiner wirtschaftlichen Bedeutung keinesweg zu unterschätzen. 40

41 Es ist evident, daß nanobiotechnologische Verfahren auf Dauer weite industrielle Bereiche erobern werden und keineswegs nur auf eine Substitution heutiger Biotechnologien beschränkt sind. Aufgrund der langfristig zu sehenden Entwicklungsperspektiven muß ein privatwirtschaftliches Engagement im Bereich der Nanobiotechnologie branchen-, unternehmens- und standortspezifisch differenziert gesehen werden. In fernerer Zukunft liegende Märkte, etwa im Bereich der Bioelektronik oder auch der bioinspirierten Informationstechnologie, erfordern zunächst einmal umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten, die sicherlich primär Konsortien und großen, global agierenden Unternehmen sowie der öffentlichen Hand vorbehalten sind. Im Bereich der mittel- und kurzfristigen Perspektiven jedoch bestehen grundsätzlich vielfältige privatwirtschaftliche Betätigungsfelder für Unternehmen der unterschiedlichsten Größe. Ein zunehmender Wettbewerb der Ideen bringt es mit sich, daß wettbewerbsentscheidend die Brillanz des Ansatzes, die Umsetzungsgeschwindigkeit und die Sicherung der intellektuellen Eigentümerschaft sein werden. Dies führt dazu, daß Standortqualitäten mehr denn je durch die Lückenlosigkeit einer kompletten Wertschöpfungskette, beginnend mit der Nähe zu erstklassigen Forschungseinrichtungen und schließend mit optimalen Produktions- und Vertriebsmöglichkeiten, geprägt sind. Besonders das der Nanobiotechnologie zugrunde liegende Maß an Interdisziplinarität und die Wechselwirkung mit einer Vielzahl von Zulieferindustrien eröffnen gerade Firmengründern und Mittelständlern hervorragende Rahmenbedingungen. VII. Flankierende forschungs- und wirtschaftspolitische Maßnahmen Die Nanotechnologie insgesamt wird in einer überschaubaren Zeitspanne aller Wahrscheinlichkeit nach aufgrund des enormen Umfangs bislang noch nicht abschätzbarer technischer Möglichkeiten (Abb. 34) zu einer umfassenden Umwälzung unserer Industriegesellschaft von bisher nicht gekanntem Ausmaße führen (vgl.: R.W. Siegel, E. Hu and M.C. Roco (Eds.), Nanostructure Science and Technology - A Worldwide Study, WTEC Report, 1999 sowie M.C. Roco, R.S. Williams and P. Alivisatos (Eds.), Nanotechnology Research Directions, IWGN Workshop Report, 1999). Das Gewicht zwischen den Volkswirtschaften, die Verteilung der Arbeitsmärkte und auch die Verteilung der Konsumenten ist dabei keineswegs prädispo- 41

42 niert, sondern wird ein Ergebnis des noch weitestgehend offenen Wettbewerbsausgangs sein. Das offene Rennen um bislang relativ undefinierte Märkte wird sich dabei auf globaler, nationaler sowie auch regionaler Ebene abspielen, woraus sich für die öffentliche Hand die Rahmenbedingungen für flankierende Maßnahmen ableiten lassen. Insbesondere ist bei diesen flankierenden Maßnahmen der typische Umsetzungszyklus von zehn bis fünfzehn Jahren für Hochtechnologieprodukte, also die Zeit zwischen Grundlagenforschung und industrieller Umsetzung sowie auch die ergänzende Aktivität privatwirtschaftlicher Institutionen mit einzubeziehen. Ein Spezifikum neuartiger Qualität ist die ausgeprägte Multidisziplinarität der Nanotechnologie im allgemeinen und der Nanobiotechnologie im besonderen. Flankierende öffentliche Maßnahmen haben die Optimierung der volkswirtschaftlichen Perspektiven auf nationaler und regionaler Ebene zum Gegenstand und sind in Wechselwirkung mit einem Bündel weiterer Rahmenbedingungen, wie etwa humanitärer oder ökologischer Gesichtspunkte, zu betrachten. Die Optimierung der volkswirtschaftlichen Aussichten im Zusammenhang mit der Nanotechnologie und all ihren Teilgebieten hat zunächst einmal eine forschungspolitische Dimension. Branchenübergreifende Forschungs- und Entwicklungsprojekte können frühzeitig nur unter flankierender Koordination der öffentlichen Hand durchgeführt werden, was in DER NT EISBERG Heutige Möglichkeiten Abb. 34: Das heute technisch Realisierbare ist nur ein minimaler Ausschnitt des aufgrund von Naturgesetzen Möglichen. 42