Ein Blick in die Zukunft

Wir müssen der Natur folgen und das ganze Spektrum der Größenskalen vom Einzelmolekül bis zum zellulären Netzwerk im Auge behalten. Unser Ehrgeiz sollte sich nicht auf die Entwicklung neuer Methoden beschränken. Wir müssen vielmehr versuchen, die Selbstorganisation und Funktion biologischer Materialien auf der Basis der Physik zu verstehen und die Regulation biologischer Prozesse durch physikalische Prinzipien zu erklären.

Für die Zukunft zeichnen sich mehrere Stoßrichtungen biophysikalischer Forschung ab. Auf dem Gebiet der molekularen Biophysik sind dies beispielsweise:

• die Verfeinerung hochauflösender und schneller Methoden der Röntgenbeugung mit Hilfe von Synchrotronstrahlung, um die Struktur kurzlebiger Zwischenzustände von Proteinen oder die Rolle der Proteindynamik für enzymatische Reaktionen aufklären zu können;
• die Weiterentwicklung der Einzelmolekülspektroskopie mit Kraftsonden und ultraschnellen photophysikalischen Methoden, wobei das zentrale Ziel die Anwendung dieser Methoden auf Einzelmoleküle und Nanomaschinen in Zellen sein muss;
• der Einsatz der Neutronenbeugung und der NMR-Spektroskopie an lokal isotopenmarkierten Molekülen unter Ausnutzung der neuen Möglichkeiten der Gentechnik, Proteine gezielt zu mutieren;
• die Weiterentwicklung der Elektronentomographie, um biologische Makromoleküle in Zellen zu lokalisieren und zu identifizieren.

Diese molekularen Methoden werden ihre volle Kraft aber erst in Verbindung mit fortgeschrittenen Simulationen der Moleküldynamik entfalten, für die eine neue Generation von Superrechnern benötigt wird. Dabei ist es aber auch notwendig, neue Konzepte zu entwickeln, um langsame und subtile Prozesse der Proteinfaltung beschreiben zu können. Hier eröffnen sich noch ungeahnte Möglichkeiten für theoretische Physiker.

Eine Nervenzelle aus dem Hirn einer Ratte hat sich auf einem linearen Array festgesetzt

Bildbeschreibung:
Eine einzelne Nervenzelle aus dem Hirn einer Ratte hat sich auf einem linearen Array aus Feldeffekttransistoren eines Siliziumchips festgesetzt. Es kommt zu einer direkten Übertragung der ionischen Signale der Zelle auf den Halbleiter in Form von elektronischen Signalen. Elektronenmikroskopische Aufnahme: Breite des Bildes ca. 40 Mikrometer. (Peter Fromherz, MPI für Biochemie, Martinsried)

Eine weitere wichtige Aufgabe für theoretische Physiker mit Interesse an komplexen biologischen Systemen ist die Informationsverarbeitung in zellulären Netzwerken, etwa im Gehirn, die hier nur am Rande angesprochen wurde. Die rapide Entwicklung invasiver Methoden (wie der Mikroelektrodenarrays) und nichtinvasiver, abbildender Methoden (wie der Kernspinresonanz- und Positronenemissionstomographie, PET) eröffnet neue experimentelle Möglichkeiten, um lokale Erregungsfelder direkt sichtbar zu machen.

Eine sehr zukunftsträchtige Kombination von Festkörper- und Biophysik, die hier nicht behandelt wurde, ist der Aufbau biofunktioneller Systeme auf nanostrukturierten elektrooptischen Bauelementen, beispielsweise Arrays von Punkttransistoren. Dazu ist es nötig, Proteine, DNA und Zellen störungsfrei zu immobilisieren. Als Beispiel sei der Aufbau von Netzwerken aus Neuronen auf Halbleiterelementen genannt (s. Abb. 1).

Dieses Gebiet der die Biologie nachahmenden, biomimetischen Physik erfordert die enge Zusammenarbeit von Physikern, Chemikern und Biologen. Das Ziel ist dabei, intelligente Biosensoren zu entwickeln, die nicht nur geeignet sind, die Wirkung von Pharmaka schnell zu überprüfen, sondern mit denen sich auch biologisch aktive von krankhaft mutierten Vertretern einer Proteinspezies unterscheiden lassen.

Ein anderes zukunftsträchtiges Gebiet der von der Biologie inspirierten Physik beschäftigt sich damit, unter Ausnutzung der Tricks der Natur neue Materialien herzustellen. Zum Beispiel will man extrem schmutzabweisende und regenerierfähige Oberflächen herstellen, indem man den Lotuseffekt von Blättern nachbildet und die mikroskopische Oberflächenrauheit der Haut der Blätter imitiert; oder man will die Delphinhaut imitieren und den Strömungswiderstand einer Oberfläche in einer Flüssigkeit dadurch verringern, dass man die Oberfläche mit Polysacchariden beschichtet. Ein anderes Beispiel ist der Aufbau extrem empfindlicher mechanoelektrischer Sensoren, indem man die Haarzellen unseres Hörsinnes nachahmt.

Eine weitere große Herausforderung für die Physiker ist es zu verstehen, wie die Architektur und die physikalischen Eigenschaften zellulärer Apparate, z. B. der Membranen, des Zytoskelett oder der mechanoelektrischen Rezeptoren, durch genetische und biochemische Regelkreise adaptiv gesteuert werden. Dabei geht es unter anderem um die Frage, wie die Zellen physikalische Materialeigenschaften wie z. B. die Elastizität oder mechanische Kräfte ausnutzen, oder wie sie Umwelteinflüsse erfassen und auf diese adaptiv reagieren. Ein Beispiel ist die Kontrolle der Zelladhäsion und der Zell-Zell-Erkennung mit Hilfe spezifischer Grenzflächenkräfte und der Membranelastizität, insbesondere wenn diese aufgrund von Krankheiten wie z. B. Krebs verändert sind. Dazu ist die Entwicklung physikalischer Methoden der Zellbiologie notwendig, mit denen physikalische Eigenschaften der Zellmembranen in den Zellen oder im Gewebe präzise gemessen werden können. Hier gibt es für die Physiker noch viel Neuland zu entdecken. Dabei wird es zunächst notwendig sein, von den wissenschaftlichen Tugenden des 19. Jahrhunderts zu lernen und Wissenschaft unter Überwindung des engen Spezialistentums auf breiter Grundlage zu betreiben.