Blog

Jun 03, 2024

Bionisch werden: Technik jenseits der Biologie

Von Eliza Strickland, Ariel Bleicher, Mia Lobel und Laurie Howell „Becoming Bionic“ untersucht, wie Ingenieure und Wissenschaftler die Natur in Technik umwandeln. Anpassen dessen, was sie am Leben beobachten

By Eliza Strickland, Ariel Bleicher, Mia Lobel, and Laurie Howell

„Becoming Bionic“ untersucht, wie Ingenieure und Wissenschaftler die Natur in Ingenieurskunst umwandeln. Indem sie das, was sie in der lebenden Welt beobachten, anpassen, schaffen sie nützliche Produkte oder Prozesse, die über die einfache Nachahmung biologischer Strukturen hinausgehen. Dieses Programm ist Teil der Reihe „Ingenieure des neuen Jahrtausends“ und eine Koproduktion des Directorate for Engineering der National Science Foundation und des IEEE Spectrum Magazine.

Inhalt:

Susan Hassler: Wir beginnen mit den grundlegenden biologischen Einheiten aller bekannten lebenden Organismen. Zellen.

Phil Ross: Wenn wir über Bionik sprechen, sprechen wir normalerweise über Hardware, die dem menschlichen Körper hinzugefügt wird, um ihn stärker oder leistungsfähiger zu machen. Aber Eliza Strickland ist hier, um über eine Idee zu sprechen, die in die andere Richtung geht.

Eliza Strickland: Richtig. Hier ist die Idee: Durch die Entnahme lebender menschlicher Zellen aus dem Körper und deren Zugabe zu externen Geräten glauben Wissenschaftler, dass sie die medizinische Forschung erheblich verbessern können.

Susan Hassler: Wir reden immer noch über die Verschmelzung von Mensch und Hardware, aber diese Verschmelzung findet bei Geräten im Labor statt?

Eliza Strickland: Das stimmt. Ein besonders spannendes Beispiel hierfür ist die Organ-on-a-Chip-Technologie. Ein Organ auf einem Chip ist ein Versuch, die wesentlichen Funktionen eines menschlichen Organs wie des Herzens oder der Lunge auf einem Chip aus Silikonkautschuk nachzuahmen, der kleiner als Ihr Daumen ist.

Susan Hassler: Und warum wollen Forscher diese Miniatur-Organimitationen herstellen?

Eliza Strickland: Nun, sie hoffen, dass diese Chips zur Entwicklung neuer Medikamente verwendet werden können. Sie sagen, dass das Testen neuer Medikamente an diesen Organen auf Chips billiger, schneller und weniger umstritten wäre als Tests an Tieren. Um mehr zu erfahren, habe ich mit dem weltweit führenden Experten für diese Technologie gesprochen.

Don Ingber: Ich bin Don Ingber; Ich bin Gründungsdirektor des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University.

Eliza Strickland: Ich treffe Ingber am Hauptsitz des Wyss Institute in Boston, in einem gläsernen Hochhaus. Das Institut ist erst drei Jahre alt und alles sieht glänzend und neu aus. Ingber führt mich durch die Labore und bleibt an einem Labortisch stehen, wo einige Proben ausgestellt sind.

Don Ingber: Was Sie hier sehen, ist eine Lunge, ein Herz, eine Niere, ein Knochenmark, ein Darm.

Eliza Strickland: Aber wir haben es nicht mit unordentlichen, fleischigen Organen zu tun, aus denen Blut in Gläser sickert. Stattdessen starren wir auf fünf kleine Stücke aus durchsichtigem und flexiblem Kunststoff, in die ein paar winzige Linien eingraviert sind. In die Chips werden mehrere Schläuche eingesteckt, um Luft oder eine blutähnliche Flüssigkeit durch sie zu drücken. Dies sind sehr saubere und vereinfachte Versionen unserer menschlichen Organe.

Don Ingber: Ja, das ist also die Lunge auf einem Chip. Es ist dieses kristallklare Mikrogerät in der Größe eines Computer-Speichersticks, sodass wir es tatsächlich halten können, obwohl es buchstäblich die mechanischen Atembewegungen, -ströme und -absorptionen der menschlichen Lunge nachahmt.

Eliza Strickland: Zehntausende menschliche Zellen gedeihen auf diesem Chip. Und sie wachsen nicht in unorganisierten Klumpen wie in einer Petrischale. Stattdessen bildet der Chip die Grundstruktur eines der 700 Millionen Lungenbläschen nach, in denen Blut durch winzige Kapillaren fließt und Kohlendioxid gegen frischen Sauerstoff austauscht.

Eliza Strickland: Bei diesem Chip ist eine schwammartige und poröse Membran auf einer Seite mit Lungenzellen beschichtet, und Luft strömt durch einen mikroskopisch kleinen Kanal über diese Zellen. Die andere Seite der Membran ist mit den Kapillarzellen unserer kleinsten Blutgefäße bedeckt, und eine Flüssigkeit, die Blut imitiert, fließt in einem weiteren winzigen Kanal an diesen Zellen vorbei.

Eliza Strickland: Dadurch können Forscher biologische Prozesse in vereinfachter Form direkt auf dem Chip beobachten. So können Forscher beispielsweise ein Medikament in die Atemwege des Chips einführen und beobachten, wie es vom Blut aufgenommen wird.

Don Ingber: Es geht darum, es auf das Wesentliche zu bringen.

Eliza Strickland: Aber es gibt noch ein weiteres Element, das notwendig ist, um das menschliche System nachzuahmen. In unserer Lunge dehnen sich unsere Luftsäcke mit jedem Atemzug aus und ziehen sich zusammen. Die Lunge auf einem Chip muss sich also ebenfalls ausdehnen und zusammenziehen.

Don Ingber: Dadurch werden die Atembewegungen gesteuert.

Eliza Strickland: In Ingbers System saugt eine präzise gesteuerte Pumpe beide Seiten des Gummichips an.

Don Ingber: Und das gesamte Gerät besteht aus kristallklarem, flexiblem Silikonkautschuk. Wenn also der Sog gezogen wird, dehnt sich das Gerät mit den Zellen, die beiden Zellschichten, und wenn es dann losgelassen wird, entspannen sie sich.

Eliza Strickland: Diese Chips werden mithilfe von Techniken hergestellt, die bei der Herstellung von Computer-Mikrochips gelernt wurden. Diese Industrie perfektionierte Methoden zum Ätzen mikroskopischer Kanäle in Siliziumwafer, um Muster zu erzeugen.

Don Ingber: Es ist nicht so, dass wir Zellen in Mikrochips zwingen, sondern wir nutzen die Herstellung von Computer-Mikrochips, um Systeme herzustellen, die unseren Bedürfnissen entsprechen.

Eliza Strickland: Nachdem die Forscher nun dieses Funktionsmodell einer menschlichen Lunge erstellt haben, besteht der nächste Schritt darin, es in die Praxis umzusetzen. Und hier kommt die Pharmaindustrie ins Spiel.

Don Ingber: Das Schlagwort, das mir von Pharmamanagern gesagt wurde, ist, dass wir lernen müssen, schnell und kostengünstig zu scheitern. Aber denken Sie daran, dass ein einzelnes Medikament 2 Milliarden US-Dollar kosten kann, um eine einzige Chemikalie von der Entdeckung bis hin zu klinischen Studien am Menschen zu begleiten. Das ist eine sehr wichtige Entscheidung.

Eliza Strickland: Ingber sagt, dass das derzeitige System, ein Medikament in Petrischalen und Tieren zu testen, nicht sehr gut vorhersagt, ob es tatsächlich beim Menschen wirken wird.

Don Ingber: Sie werden einige Arbeiten mit Zellen in Schalen durchführen, sogar mit menschlichen Zellen in Schalen. Das Problem besteht jedoch darin, dass eine Zelle, wenn sie sich auf einer Schale befindet, die meisten ihrer speziellen Eigenschaften im Körper verliert – sie vermehrt sich normalerweise nur und ist nicht funktionsfähig. Und am Ende verlassen sie sich in Wirklichkeit auf Tierversuche, um zu bestätigen, welches Medikament sie wählen sollen ...

Eliza Strickland: Und Ingber sagt, dass Tierversuche nicht nur umstritten, sondern auch unwirksam sind.

Don Ingber: Das Problem besteht in den meisten Fällen darin, dass die Vorhersagen aus den Tierversuchen nicht vorhersagen können, was beim Menschen passiert, und sie haben diese großen Fehler gemacht und sie haben bereits Hunderte Millionen, wenn nicht Milliarden Dollar ausgegeben. Und hier kommt der Satz „Wir wollen lernen, wie man schnell und kostengünstig scheitert“, weil man lieber zu Beginn des Prozesses sagt „Das ist ein Fehler“ und sich dann für ein anderes Medikament entscheidet.

Eliza Strickland: Wenn Pharmaunternehmen ein neues Medikament auf einem Chip testen können, der die Funktionen einer menschlichen Lunge nachahmt, können sie sofort herausfinden, ob das Medikament für menschliche Zellen toxisch ist, und sie können untersuchen, wie es in den Blutkreislauf aufgenommen wird. Die Forscher können sogar weiße Blutkörperchen in ihre Chipsysteme einbringen, um zu untersuchen, wie das Immunsystem auf das Medikament reagiert. Und die Lunge auf einem Chip ist erst der Anfang.

Don Ingber: Wir arbeiten an vielen Organen. Wir haben einige Durchbrüche bei Knochenmark auf einem Chip und Niere auf einem Chip erzielt. Wir haben 10 verschiedene Organe ins Visier genommen und hatten die Idee, sie alle in unterschiedlicher Reihenfolge und auf unterschiedliche Weise miteinander zu verbinden.

Eliza Strickland: Ingber möchte eine ganze Reihe von Chips miteinander verbinden und sie mit fließenden Flüssigkeiten verbinden, um die Art und Weise nachzuahmen, wie sie im menschlichen Körper verbunden sind. Er arbeitet im Wesentlichen daran, einen Menschen auf einem Chip zu schaffen.

Don Ingber: Es ist, als würde man ein Diagramm aus einem Biologielehrbuch nehmen und es zum Leben erwecken.

Eliza Strickland: Leben auf einem Chip erschaffen. Der Stoff der Monsterliteratur ist in diesem Bostoner Labor lebendig und gesund und lebt auf winzigen Chips. Ich bin Eliza Strickland.

Foto: Wyss Institut

Susan Hassler: Phil, hast du dich jemals gefragt, wie es sich anfühlen könnte, tatsächlich bionisch zu sein?

Phil Ross: Klar, das wäre großartig! Ich meine, wer möchte nicht einen Arm haben, der so stark ist wie ein Bulldozer, oder ein Auge, das hinein- und herauszoomen kann?

Susan Hassler: Ich weiß nicht … vielleicht würde es nicht ganz so viel Spaß machen, wie Sie denken. Ich glaube, ich fühle mich vielleicht ein bisschen unheimlich. Wie Edward mit den Scherenhänden oder Frankensteins Monster. Aber das ist natürlich alles Science-Fiction. Unser Reporter Ariel Bleicher erzählt eine wahre Geschichte darüber, was es wirklich bedeutet, bionisch zu werden.

Ariel Bleicher: Richtig. Lassen Sie mich zunächst damit beginnen, Ihnen jemanden vorzustellen.

Miikka Terho: Ja, mein Name ist Miikka Terho. Ich komme aus Finnland.

Ariel Bleicher: Wenn man Miikka trifft, scheint er ein ganz normaler Typ zu sein. Er ist Ende 40, schlank, athletisch, blondes Haar und er hat diese strahlend meerblauen Augen. Doch als er ein Teenager war, stellte er fest, dass er an einer degenerativen Krankheit litt.

Miikka Terho: Ja, es ist eine Krankheit namens Retinitis pigmentosa – RP, wie sie es nennen.

Ariel Bleicher: Ungefähr anderthalb Millionen Menschen haben RP. Sie werden mit einem genetischen Defekt geboren, der dazu führt, dass sich Zellen in der Netzhaut – dem Gewebe, das den Augenhintergrund auskleidet – mit der Zeit verschlechtern. Diese Zellen – die Photorezeptorzellen – erkennen Muster des Lichts, das in das Auge eindringt. Und sie wandeln diese Muster in elektrische Signale um, die sie an ihre Nachbarzellen weitergeben. Dann leiten diese Zellen die Signale an ihre Nachbarn weiter, und diese Weiterleitungskette reicht bis zum Gehirn.

Susan Hassler: Wenn also die Photorezeptorzellen nicht mehr funktionieren, ist die Kette unterbrochen.

Ariel Bleicher: Richtig. Als Miikka Mitte 30 war …

Miikka Terho: Dann habe ich das zentrale Sehvermögen völlig verloren.

Ariel Bleicher: Er war 15 Jahre lang blind. Dann hörte er eines Tages von einer kleinen experimentellen Studie, die von einem Augenarzt und Forscher an der Universität Tübingen in Süddeutschland geleitet wurde.

Eberhart Zrenner: Mein Name ist Eberhart Zrenner. Ich leite eine Klinik für erblich bedingte Netzhautdegeneration. Ich sehe Patienten mit diesen Krankheiten.

Ariel Bleicher: In den 1990er Jahren hatte Dr. Zrenner diese verrückte Idee.

Eberhart Zrenner: Ich habe über dieses Konzept nachgedacht: Warum nicht natürliche Fotorezeptoren durch technische ersetzen? Sie sind überall, diese Chips – in den Mobiltelefonen und warum nicht in ein Auge stecken?

Ariel Bleicher: Er stellte ein Forscherteam zusammen, holte Investoren, führte Experimente mit Ratten, Kaninchen und Schweinen durch und gründete schließlich ein Unternehmen. Und das Produkt, das aus all dieser Anstrengung entstand, war dieses …

Eberhart Zrenner: …sehr winziger, zehntel Millimeter dicker kleiner Chip.

Ariel Bleicher: Es ist ungefähr so ​​groß wie eine Sommersprosse.

Phil Ross: Und dieser Chip wird chirurgisch ins Auge implantiert – genau dort, wo die toten Photorezeptoren sind?

Ariel Bleicher: Ja, das war die Idee. Eigentlich ist es ein wirklich elegantes Design. Der Chip besteht aus 1500 winzigen elektronischen Geräten, sogenannten Fotodioden, von denen jedes mit einem anderen winzigen Gerät, einer sogenannten Elektrode, gepaart ist. Und all diese Fotodioden- und Elektrodenpaare sind alle in einem Gittermuster auf dem Chip angeordnet. Im Grunde funktionieren sie wie kleine elektronische Pixel in einer Kamera. Wenn also Licht durch das Auge fällt und auf den Chip fällt, wird jede der 1500 Fotodioden…

Eberhart Zrenner: … nimmt jeden Punkt des Bildes auf, übersetzt ihn in eine winzige Strömung.

Ariel Bleicher: Dann leitet die Fotodiode den Strom an die Elektrode weiter, mit der sie gekoppelt ist. Dann die Elektrode…

Eberhart Zrenner: … legt je nach Helligkeit dieses bestimmten Punktes einen Strom in die Nachbarzelle.

Ariel Bleicher: Und die defekte Relaiskette – sie ist jetzt repariert. Wie auch immer, so sollte es passieren.

Susan Hassler: Sollte das passieren?

Phil Ross: Lass mich raten. Es hat nicht funktioniert.

Ariel Bleicher: Es hat nicht funktioniert. Zumindest nicht so, wie Dr. Zrenner gehofft hatte. Im Jahr 2005 startete er eine kleine Pilotstudie mit 11 Patienten. Und die ersten 10 Patienten konnten überhaupt nicht viel sehen. Einige von ihnen konnten erkennen, ob eine Linie auf einem Computerbildschirm horizontal oder vertikal war. Aber das war es auch schon.

Eberhart Zrenner: Wir wussten damals noch nicht, ob wir jemals Erfolg haben werden. Aber es gab einen Patienten, den letzten Patienten – im Wesentlichen Miikka.

Ariel Bleicher: Die Ergebnisse der ersten 10 Patienten waren so schlecht, dass Dr. Zrenner und sein Forschungsteam beschlossen, mit Miikka etwas anderes zu machen. Sie sagten dem Chirurgen, er solle den Chip genau in der Mitte von Miikkas Auge platzieren, unter einer Struktur namens Fovea, die bei sehenden Menschen dafür verantwortlich ist, wirklich scharfe, detaillierte Bilder zu erzeugen – wie den Text auf einem Computerbildschirm oder die Gesichtszüge einer Person . Die Forscher hatten die Fovea zuvor gemieden, weil das Gewebe besonders empfindlich ist und sie wussten, dass der Chip ohnehin nicht in der Lage sein würde, perfekt scharfe Bilder zu erzeugen. Aber das war ihr letzter Patient, vielleicht ihre letzte Chance, und sie dachten, es sei einen Versuch wert.

Ariel Bleicher: Als Miikka von der Operation aufwachte, erinnerte er sich als erstes daran, dass er benommen war und Kopfschmerzen hatte. Er sah aus, als hätte man ihm ins Gesicht geschlagen. Die Haut um sein linkes Auge, wo der Chip implantiert worden war …

Miikka Terho: ...es war wie in allen Regenbogenfarben: Gelb, Grün, Lila.

Ariel Bleicher: Der einzige Beweis für sein neues bionisches Ich war ein dünnes Stromkabel mit einem Stecker am Ende, das aus der Haut hinter seinem Ohr herausragte. Einer der Forscher befestigte eine Steuerbox mit einer Batterie an diesem Kabel, legte einen Schalter um …

Miikka Terho: …und dann wurde ich gefragt, ob ich irgendwelche visuellen Empfindungen verspüre, und ich sagte ja. Es gab einen Lichtblitz, viele Lichtblitze.

Ariel Bleicher: Er hatte zunächst keine Ahnung, was er da sah. Er wusste einfach, dass er etwas sah.

Miikka Terho: Aber dann begann Minute für Minute, Stunde für Stunde alles mehr Sinn zu ergeben.

Ariel Bleicher: Er lernte wieder einfache Buchstaben zu lesen: Ls, Ts, Cs, Os. Und Objekte erkennen…

Miikka Terho: Gabel, Löffel, Messerklinge, Becher, Tassen ...

Ariel Bleicher: Er hat sogar einen Sehtest gemacht und knapp über der Grenze für seine Blindheit gepunktet.

Phil Ross: Wow! Nach 15 Jahren Blindheit kann er also wieder sehen!

Ariel Bleicher: Nicht ganz. Drei Monate, nachdem Miikka den Chip bekommen hatte, ging ein Chirurg erneut hinein und entfernte ihn.

Susan Hassler: Sie haben den Chip entfernt, der ihm das Augenlicht verlieh?

Phil Ross: Warum?!

Ariel Bleicher: Protokoll. Denken Sie daran, dass dies eine Pilotstudie war – um zu zeigen, dass es sich lohnt, eine große klinische Studie durchzuführen. Es war das erste Mal, dass der Chip einem Menschen implantiert werden sollte, und die Forscher wollten so wenig Risiken wie möglich eingehen – Infektionen und ähnliches vermeiden. Also ließen sie den Chip gerade lange genug drin, um ihn zu testen, und nahmen ihn dann wieder heraus.

Susan Hassler: Vermisst er sie nun, nachdem er einen Vorgeschmack auf diese neue bionische Vision bekommen hat?

Miikka Terho: Oh ja. Wie ich schon sagte, natürlich, natürlich. Es wäre schön, den Chip oder sogar das Sehvermögen zurückzubekommen. Aber ich verstehe auch, dass es kein normales Sehen ist, wenn ich jemals dauerhaft wieder eine Art zentrales Sehvermögen bekomme. Ich kann nicht einfach an den Strand gehen und mir die Babes ansehen. Es ist nicht so gut. Ich gehe vielleicht dorthin und sehe die Umrisse dieser Babes (lacht), aber ich kann sie nicht wirklich identifizieren. Es ist also kein ganz normales Sehen, denn es ist sowieso eine künstliche Form des Sehens. Aber dann wird es um einiges besser sein als nichts.

Ariel Bleicher: Es entwickelt sich immer noch weiter – und verbessert sich. Ich habe die Firma in Tübingen besucht, die die Chips herstellt – sie heißt Retina Implant. Sie befinden sich derzeit mitten in einer klinischen Studie und gehen davon aus, dass sie bis Ende des Jahres die Genehmigung für den Verkauf des Geräts in Europa erhalten. Bisher haben sie die neueste Version an 22 weiteren Patienten getestet, und einige dieser Patienten können genauso gut – oder in einigen Fällen sogar besser – sehen als Miikka.

Phil Ross: Und sicherlich wird eines Tages jemand eine bionische Netzhaut herstellen, die genauso gut ist wie eine natürliche.

Susan Hassler: Oder besser!

Ariel Bleicher: Nun, es stellt sich heraus, dass das immer noch ein ziemlich großer Traum ist. Eine natürliche menschliche Netzhaut verfügt über etwa 115 Millionen Fotorezeptoren, während der Chip nur über 1500 elektronische verfügt. Die Technologie hat also definitiv noch viel zu tun. Aber ich habe den CEO von Retina Implant – sein Name ist Walter Wrobel – gefragt, was seiner Meinung nach in Zukunft möglich sein könnte.

Walter Wrobel: [seufz] Ich weiß es nicht. Ich weiß es wirklich nicht.

Ariel Bleicher: Er sagt, dass man die Bildqualität des Chips wahrscheinlich verbessern könnte, indem man einen Weg fände, mehr Elektroden und Fotodioden unterzubringen. Sie könnten vielleicht auch das Fenster, durch das ein Patient sieht – sein Gesichtsfeld – erweitern, indem Sie mehrere Chips hintereinander implantieren. Aber dann sagte Wrobel ganz beiläufig etwas, das mich völlig überraschte.

Walter Wrobel: Man kann auch darüber nachdenken, Infrarotlicht erkennen zu können …

Phil Ross: Moment, hat er gerade gesagt, dass eine elektronische Netzhaut Infrarotlicht erkennen könnte?

Walter Wrobel: …Infrarotstrahlung, die dem Rot sehr nahe kommt, aber nicht mehr sichtbar ist.

Ariel Bleicher: Es liegt knapp außerhalb der Wellenlängen des Lichts, die Sie und ich sehen können.

Susan Hassler: Er sagt also, dass Menschen mit diesem Chip Dinge sehen können, die selbst sehende Menschen nicht sehen können?

Walter Wrobel: Yeah.

Ariel Bleicher: Verrückt, oder? Wrobel erzählte mir, dass eines Tages aus heiterem Himmel einer der Studienpatienten plötzlich mit zwei Ärzten im Untersuchungsraum herausplatzte …

Walter Wrobel: „Oh, Sie haben verschiedene Mäntel. Eine Schicht ist hell und die andere dunkel.“ Und sie waren erstaunt, weil sie beide dunkle Mäntel hatten.

Ariel Bleicher: Aber der Patient bestand darauf ...

Walter Wrobel: Er sagte: „Nein, nein – einer ist hell und der andere ist dunkel.“ Hmpf.

Ariel Bleicher: Die Forscher untersuchten die Mäntel also mit einem Nachtsichtgerät, das Infrarotlicht erkennen kann. Und tatsächlich ...

Walter Wrobel: … und es stellte sich wirklich heraus, dass einer der Mäntel im Infrarotbereich hell aussah – aus Kunststoff, hell aussehend. Und das andere war aus Baumwolle oder Wolle und dunkel. Er konnte dieses Infrarotlicht also wirklich sehen.

Phil Ross: Wow. Was hält das Unternehmen also davon ab, einen Chip zu entwickeln, mit dem Menschen beispielsweise ultraviolettes Licht sehen können, wie es Schmetterlinge tun?

Ariel Bleicher: Naja...nichts! Aber Wrobel sagt, das sei nicht der Punkt.

Walter Wrobel: Es gibt einige Science-Fiction-Autoren usw., die davon träumen. Wir träumen nicht; Wir realisieren unsere Geräte.

Ariel Bleicher: Miikka hat eine ähnlich fundierte Haltung gegenüber dem gesamten Erlebnis. Er sagt, der Chip habe ihm nicht das Gefühl gegeben, ein Superheld zu sein, und er habe sich dadurch auch nicht wie ein Freak gefühlt. Er war einfach glücklich, sich an der Suche nach etwas Wichtigem und Gutem zu beteiligen – etwas, das vielen Menschen helfen konnte. Wenn man darüber nachdenkt, ist das alles, was wir jemals von der Technologie verlangen können – dass sie uns hilft, bessere Versionen unseres Selbst zu machen, das wir bereits sind. Ich bin Ariel Bleicher.

Foto: Netzhautimplantat

Susan Hassler: Wir werden jetzt zu einer anderen Art der Bionik übergehen: von bionischen Körperteilen zu einer anderen Art von Biotechnologie, die auf natürlichen Prozessen basiert.

Phil Ross: Es passiert an der University of California, Davis.

Susan Hassler: Wir haben versprochen, Ihnen von Forschern zu erzählen, die Tabakpflanzen kapern. Nun, das ist es.

Phil Ross: Sie nutzen Tabakpflanzen, um Verbindungen herzustellen, die sonst sehr teuer und schwer herzustellen wären. Impfungen.

Susan Hassler: Fazit: Sie wollen Impfstoffe schneller und kostengünstiger entwickeln können.

Phil Ross: Los geht's, zum Labor der UC Davis, wo die Chemieingenieurin Karen McDonald arbeitet.

Karen McDonald: Und was ich tun werde, ist, zuerst den Deckel der Vakuumkammer abzunehmen. Es ist eine Kammer mit einem Durchmesser von etwa 30 cm und einer Höhe von vielleicht 18 Zoll.

Susan Hassler: Sie nimmt eine kleine Tabakpflanze, schneidet sie an der Basis ab und legt sie kopfüber in eine klare Lösung. Sie setzt den Deckel der Vakuumkammer wieder auf und legt dann einen Schalter um.

Karen McDonald: Und wenn das Vakuum zunimmt, werden wir sehen, dass die Luft, die sich in den Blättern befindet, die in die Flüssigkeit eingetaucht sind, tatsächlich aus dem Blatt austritt. Und an der Oberfläche des Blattes werden diese Blasen erzeugt, und dann steigen diese Blasen bis zur Luftgrenzfläche auf. Es dauert einige Minuten, bis das Vakuumniveau erreicht ist.

Phil Ross: Dies ist ein Prozess namens Vakuum-Agroinfiltration, mit dem neue DNA-Anweisungen in die Zellen der Pflanze injiziert werden. Diese Anweisungen weisen die Pflanze an, ein Protein zu produzieren, das sie auf natürliche Weise nicht produzieren würde – zum Beispiel einen Impfstoff gegen die gewöhnliche Grippe.

Karen McDonald: Der Hauptgrund, der mich dazu inspiriert hat, dieses Projekt zu verfolgen, war die Erkenntnis, dass die derzeitigen Herstellungstechnologien zur Herstellung von Impfstoffen nicht schnell genug sind, um auf eine neue Pandemie zu reagieren, wahrscheinlich vor allem im Jahr 2009, als die H1N1-Pandemie aufkam. Was wir in den letzten Jahren herausgefunden haben, ist, dass Pflanzen und insbesondere Tabak sehr effiziente Biofabriken zur sehr schnellen Herstellung von Impfstoffen darstellen. Und die Technologie, die wir verwenden, ermöglicht es uns im Grunde, in mehreren Wochen von den genetischen Anweisungen für den Impfstoff bis zur Herstellung des Impfstoffs zu gelangen.

Susan Hassler: Die Herstellung herkömmlicher Impfstoffe auf Eibasis dauert im Allgemeinen einige Monate und ist mit etwa zehn bis fünfzehn Dollar pro Dosis recht kostspielig. Der McDonald's-Prozess könnte dies drastisch beschleunigen und die Kosten auf weniger als einen Dollar pro Dosis senken, was möglicherweise die Branche revolutionieren würde.

Karen McDonald: Im Grunde nutzen wir also die Biosynthesemaschinerie der Zellen im Blatt, der Pflanzenzellen, um unser Produkt für uns herzustellen. Und die Vorteile liegen darin, dass diese Zellen mithilfe der Photosynthese gezüchtet wurden, einem der effizientesten – energieeffizientesten – Prozesse, die es gibt.

Phil Ross: Derzeit kann das Vakuuminfiltrationsverfahren von McDonald's 1 bis 10 Dosen pro Pflanze ergeben. Aber mit ein wenig Optimierung rechnet sie damit, bis zu 100 Dosen zu erhalten. Und das alles mit einer Pflanze, die von Natur aus für diese Art von Arbeit geeignet ist.

Karen McDonald: Tabakpflanzen sind aus mehreren Gründen ein guter Wirt für die Herstellung von Impfstoffen. Erstens handelt es sich bei Tabak um eine Nutzpflanze, die weder Nahrung noch Futtermittel ist, sodass Sie nicht mit anderen Verwendungszwecken der Pflanze konkurrieren. Es handelt sich um eine große Blattpflanze mit hoher Biomasse, und für unsere Anwendungen benötigen wir Blätter, viel grünes Blattgewebe. In dieser Hinsicht ist Tabak also ein guter Wirt. Und auch Tabakbauern suchen nach alternativen Verwendungszwecken für Tabak neben dem Rauchen, und zwar nach einer effizienten Nutzung zur Herstellung eines hochwertigen Produkts.

Susan Hassler: Das ist eigentlich Produkte im Plural. Ihre Methode beschränkt sich nicht nur auf Grippeimpfstoffe.

Karen McDonald: Ja, mit dieser Art der Produktion könnte im Grunde jede Art von rekombinantem Protein hergestellt werden. Und dazu gehören Dinge wie monoklonale Antikörper, industrielle Enzyme, biologische Abwehrstoffe, menschliche Blutproteine ​​und Biopolymere.

Phil Ross: Eine ganze Reihe von Verbindungen, die traditionell nur schwer skalierbar herzustellen waren. Der McDonald's-Prozess verwandelt diese Tabakpflanzen im Wesentlichen in Mini-Biofabriken, die Proteine ​​schneller, billiger und effizienter abpumpen als aktuelle Herstellungsverfahren.

Karen McDonald: Jetzt sind wir also bei etwa 15 Zoll Quecksilbersäule, und ich werde das Vakuum abbauen. Und an diesem Punkt werden Sie sehen, wie sich die Blätter von einem hellen Grün zu einem sehr dunklen Grün verfärben. [lautes Geräusch] Und dann nehmen wir den Deckel ab, nehmen den Deckel von der Vakuumkammer ab. Und Sie können die Blätter herausnehmen und visuell die dunklen Bereiche des Blattes erkennen, in denen die Lösung in das Gewebe eingedrungen ist.

Susan Hassler: Sie lässt die Pflanze ein paar Minuten trocknen und legt die Blätter dann in eine befeuchtete Kiste.

Karen McDonald: Und wir lagern es einfach fünf bis sieben Tage lang im Dunkeln und lassen die Pflanzenzellen ihre Arbeit machen.

Phil Ross: Alles, was Sie brauchen, sind die richtigen genetischen Anweisungen.

Karen McDonald: Wir hoffen, dass unsere Arbeit dazu beiträgt, diese neue Industrie, in der Pflanzen zur Herstellung hochwertiger, sehr wichtiger Proteinprodukte verwendet werden, grundlegend zu katalysieren. Und so hoffen wir, dieser Strategie als Bioproduktionsstrategie mehr Aufmerksamkeit zu verschaffen und hoffentlich die Kosten für Therapeutika zu senken und die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der neue Moleküle hergestellt werden können.

Susan Hassler: Sie sind ziemlich nah dran. Aber McDonald und ihr Team müssen noch einen wichtigen Schritt finden.

Karen McDonald: Meine Perspektive als Ingenieurin ist also immer eine, in der wir alles, was wir im Labor tun, aus der Perspektive betrachten: „Ist dieser Prozessschritt skalierbar?“ Oder gibt es Einschränkungen, die die Skalierbarkeit des Prozesses einschränken würden?“ Denn wir sind uns darüber im Klaren, dass man einen Impfstoff zwar in sehr kleinem Maßstab im Labor herstellen könnte, dies aber auch im großen Maßstab tun kann, wo man Millionen Dosen des Impfstoffs herstellen muss? Daher ist die Aufmerksamkeit für jeden einzelnen Schritt und die Skalierbarkeit dieser Schritte ein wichtiger Aspekt, den Ingenieure meiner Meinung nach in das Team einbringen.

Phil Ross: Die Skalierbarkeit des McDonald's-Prozesses – die Tatsache, dass er je nach Bedarf problemlos erweitert oder aufgerüstet werden kann – bedeutet größere und effizientere Vakuuminfiltrationspumpen und eine riesige und leicht verfügbare Ernte an Tabakpflanzen.

Susan Hassler: Sobald der Impfstoff hergestellt ist, muss man ihn aus dem Blatt holen. Was im Fall von McDonald's bedeutet, es zu mahlen und von allen anderen Proteinen und Pflanzenteilen zu trennen, die Sie nicht benötigen.

Phil Ross: Das kann ein chaotischer und ineffizienter Prozess sein; Sie zerstören praktisch jedes Mal, wenn Sie ernten, Ihre Produktionsanlage.

Susan Hassler: Aber wir werden Ihnen gleich sagen, wie Wissenschaftler das umgehen. Bleib bei uns.

Foto: Gregory Urquiaga/UC Davis

Susan Hassler: Wir haben versprochen, Ihnen zu erzählen, wie Forscher Tabakpflanzen in Biofabriken verwandeln, ohne die Pflanzen zu zerstören.

Phil Ross: Die Problemumgehung besteht darin, etwas zu tun, was Tabakpflanzen ganz alleine tun.

Susan Hassler: Hier ist Mia Lobel mit der Geschichte.

Mia Lobel: Wohin geht die Reise?

Bob Morrow: Wir gehen in den Keller, wo sich die meisten unserer Labore befinden.

Mia Lobel: Bob Morrow führt mich eine Betontreppe bei Orbital Technologies in Madison, Wisconsin hinunter. Im dunklen Flur gibt es eine Reihe schwerer Türen. Er öffnet eine und ich werde von einem Schwall heißer Luft getroffen.

Bob Morrow: Das ist der Raum, den Ryan gerade für seine Pflanzen nutzt.

Mia Lobel: Es ist ein Raum von der Größe eines kleinen Schlafsaals, vollgepackt mit 15 oder 20 Tabakpflanzen unterschiedlicher Größe, deren breite Blätter sich in der Umluft wiegen. Hier sind es etwa 25 Grad – und es ist feucht.

Ryan Shepherd: Wir lieben den Raum selbst, weil es eine sichere Umgebung ist und die Pflanzen hier besser wachsen als in jedem Gewächshaus, das ich je gesehen habe.

Mia Lobel: Das ist Ryan Shepherd, Mitbegründer des Biotech-Start-ups PhylloTech. Sein Labor befindet sich nur ein paar Meilen die Straße hinauf im Forschungspark der Universität. Aber er hält seine Pflanzen hier, wo Bob Morrow die Temperatur und Luftfeuchtigkeit, den Kohlendioxidgehalt und das Licht kontrollieren kann, um eine optimale Wachstumsumgebung zu schaffen.

Ryan Shepherd: Wenn Sie sich also einige dieser Tabakpflanzen ansehen – ich meine, die Blätter sind riesig. Ich meine, sie sind, wissen Sie, ein paar Fuß lang. Und wissen Sie, Sie können sich vorstellen, dass die gesamte Oberfläche mit Trichomdrüsen bedeckt ist. Das ist eine große Menge an produktivem Raum, den wir jetzt für die Proteinproduktion nutzen können.

Mia Lobel: Trichome sind die kleinen Härchen, die man auf der Oberfläche von Tomaten- und Kartoffelpflanzen, Sonnenblumen und Tabakblättern sieht. Sie scheiden Verbindungen aus, die die Pflanze vor Fressfeinden, Parasiten und Pilzen schützen. Und sie sind der Schlüssel zu dem Prozess, den Shepherd nutzen konnte, um diese Tabakpflanzen in Biofabriken für wertvolle und schwer herzustellende Verbindungen zu verwandeln.

Ryan Shepherd: Die meisten aktuellen Versuche, Pflanzen zur Herstellung heterologer Proteine ​​zu nutzen – die Proteine ​​werden typischerweise im Blattinneren hergestellt und müssen dann auf irgendeine Weise gesammelt werden. Und das erfordert normalerweise das Zermahlen der Blätter und den anschließenden Versuch, das Protein zu reinigen.

Mia Lobel: Tabakpflanzenproteine ​​können durch einfaches Abwaschen von der Blattoberfläche gesammelt werden. Dies eröffnet unzählige potenzielle Möglichkeiten in der Bioproduktion.

Ryan Shepherd: All dies ergab sich aus einer grundlegenden Beobachtung in der Pflanzenpathologie: der Sekretion dieser nativen Proteine. Und wissen Sie, sobald wir herausgefunden haben, wie diese nativen Proteine ​​an die Blattoberfläche gelangten und was sie bewirkten, können wir nun die Frage stellen, wohin genau wir damit gehen können. Wissen Sie, welche anderen Anwendungen können wir angehen?

Mia Lobel: Wenn Shepherd die DNA der Pflanzen genetisch verändern könnte, um andere Proteine ​​zu produzieren, könnte er möglicherweise Tabakpflanzen als Biofabriken nutzen, um jedes gewünschte Protein abzusondern. Sein erstes Ziel ist die Seide der Schwarzen Witwenspinne.

Cheryl Hayashi: Latrodectus hesperus; Es handelt sich hier um eine in Südkalifornien heimische Art. Eigentlich finde ich sie sehr charmant. [Lacht]

Mia Lobel: Cheryl Hayashi ist Biologin an der UC Riverside. Sie arbeitet seit mehr als 20 Jahren mit Spinnen.

Cheryl Hayashi: Spinnenseide hat aufgrund ihrer wunderbaren Kombination mechanischer Eigenschaften die Aufmerksamkeit vieler Ingenieure, Biologen und Industrieller auf sich gezogen. Es ist also stark. Viele andere Materialien sind stabil, aber auch dehnbar. Und es ist diese Kombination aus Festigkeit und Dehnbarkeit, die sie wirklich, wirklich, wirklich von den meisten anderen Materialien unterscheidet, die Menschen zum Bauen von Dingen verwenden.

Mia Lobel: Die Anwendungsmöglichkeiten für dieses leichte und flexible und dennoch superstarke Material sind endlos: Hochleistungstextilien; biomedizinische Anwendungen wie High-Tech-Bandagen; künstliche Gelenke, Sehnen und Bänder; elektronische Geräte … ganz zu schweigen von hochmodischen Kleidungsstücken.

Cheryl Hayashi: Ein weiterer wirklich attraktiver Aspekt von Spinnenseide ist, dass sie auf Proteinen basiert. Es handelt sich also nicht um ein erdölbasiertes Material wie beispielsweise Nylon. Und da es auf Proteinen basiert, bedeutet es, dass es sich um eine umweltfreundliche Technologie handeln kann.

Mia Lobel: Aber das Sammeln von Spinnenseide für eine breite Verwendung ist, gelinde gesagt, unpraktisch. Vor einigen Jahren stellte eine internationale Künstlergruppe einen 13 Fuß langen Spinnenseidenumhang aus. Die Fertigstellung dauerte sieben Jahre und mehr als eine Million Spinnen.

Cheryl Hayashi: Also, wissen Sie, ich bekomme ziemlich oft Anrufe von Leuten, die sagen, sie hätten eine gute Idee, wie man Spinnenseide verwendet, und wissen Sie, ob ich ihnen hundert Pfund davon schicken könnte. Und das ist, wissen Sie, ziemlich unerschwinglich. Wissen Sie, ich kann nicht zulassen, dass Studenten in meinem Labor so viele Silking-Sitzungen mit Spinnen durchführen. Es ist einfach – wir können es einfach nicht tun. Und das ist einfach nicht machbar.

Mia Lobel: Aber wenn Shepherd erfolgreich Spinnenseidenproteine ​​in seinen Tabakpflanzen produzieren könnte, könnte er diesen Prozess möglicherweise skalieren, um genügend Material für alle Arten von Anwendungen zu erzeugen. Im Jahr 2010 schickte Hayashi Shepherd seine erste Probe von Spinnenseide-DNA. Shepherd fügte diese DNA in das Tabakgenom ein und ließ die Pflanzen mit den neuen genetischen Anweisungen wachsen. Und es hat funktioniert. Die Tabakpflanzen sonderten das Spinnenseidenprotein direkt an die Oberfläche der Blätter ab, wo es gesammelt, untersucht und, wie sie hoffen, eines Tages bald wieder zu einem voll funktionsfähigen Seidenstrang gesponnen werden konnte.

Cheryl Hayashi: Wissen Sie, ich möchte einen großen Eimer mit jeder dieser Arten von Seidenproteinen sehen, und ich möchte – das nächste, was ich sehen möchte, sind, wissen Sie, Fasern, die aus diesen großen Eimern mit pflanzlicher Seide hergestellt werden Proteine. Und ich glaube, wissen Sie, sobald wir diese Art von Material haben, werden meiner Meinung nach keine Grenzen gesetzt sein, wenn es darum geht, was wir und andere Leute mit diesem Material machen können.

Mia Lobel: Noch aufregender ist die Möglichkeit, dass sich dadurch die Möglichkeit ergibt, dass andere Proteine ​​– eigentlich alle großen Proteine: Antibiotika, Enzyme, Antikörper – alle schneller, billiger und effizienter hergestellt werden als bisher.

Ryan Shepherd: Ich glaube, unsere Innovation besteht darin, dass wir durch gezielte Produktion auf Trichomdrüsen nicht nur die Pflanze zur Produktion des Proteins nutzen, sondern es auch reinigen können, sodass wir das Blatt nicht zermahlen müssen Zerstöre die Pflanze, um das Protein zurückzugewinnen. Und wir müssen nicht viel Zeit, Geld und Ressourcen aufwenden, um das Zielprotein aus allem anderen zu extrahieren, was in der Pflanze vorhanden ist. Der schwierigste Teil davon ist also die anfängliche Generation der Pflanze. Aber sobald man das erreicht und Samen gesammelt hat, dann hat man im Grunde ein System mit unbegrenztem Wachstum.

Mia Lobel: Ryan Shepherd sagt, dass dies die Art und Weise verändern könnte, wie Menschen Pflanzen betrachten.

Ryan Shepherd: Ich hoffe, dass unsere Arbeit mit der Trichom-Bioproduktion die Meinung der Menschen über Pflanzen als Bioproduktionsplattformen verbessern wird. Und indem wir Proteine ​​gezielt zu den Drüsen leiten – wobei wir im Wesentlichen die Pflanze sowohl für die Produktion als auch für die Reinigung des Proteins nutzen – werden wir in der Lage sein, ein kostengünstiges System für die Proteinproduktion zu schaffen.

Mia Lobel: Der Erfolg dieses Prozesses könnte weitreichende Auswirkungen haben.

Ryan Shepherd: Ich bin also Pflanzenwissenschaftler, Pflanzenpathologe. Mir gefällt die Idee sehr, dass wir eine grundlegende Entdeckung der Pflanzenpathologie übernehmen – die Idee, dass Pflanzen Proteine ​​auf ihre Blattoberflächen absondern, um Resistenz gegen Krankheitserreger zu schaffen. Es ist für mich sehr aufregend und belebend, dass wir diese Entdeckung jetzt nutzen und für einen wirklich praktischen Zweck nutzen können: die Produktion anderer Proteine. Daher denke ich, dass die weitreichenderen Auswirkungen darin bestehen, dass Anlagen, die unsere Technologie nutzen, neben Spinnenseide und den Dingen, mit denen wir derzeit arbeiten, hoffentlich zu einer brauchbaren Produktionsplattform für viele andere Ziele werden. Und ich denke, sobald das erreicht ist, könnten Pflanzen die bevorzugte Quelle für die Proteinproduktion sein.

Mia Lobel: Shepherd sagt, er hoffe, dass seine Biofabrik für Tabakpflanzen in den nächsten drei bis fünf Jahren voll funktionsfähig sein wird. Ich bin Mia Lobel.

Foto: Mia Lobel

SUSAN: Wir haben diese Stunde mit einigen der kleinsten bionischen Technologien begonnen. Und zum Abschluss berichten wir über eine Technologie, die Sie umgeben wird – die Living Wall.

PHIL: Es kopiert die Art und Weise, wie Ihre Haut Ihre Körpertemperatur reguliert.

SUSAN: Laurie Howell ging hinaus, um die Living Wall zu erkunden.

Laurie Howell: Wir beginnen im Engineering Center der University of Colorado. Es ist ein malerischer Campus am Fuße der Ausläufer der Rocky Mountains. Hier leitet John Zhai, Professor für Architekturingenieurwesen, ein multidisziplinäres Team aus Ingenieuren und Architekten bei einem kreativen Unterfangen seines Lebens. Sie entwerfen etwas, was sie eine „lebende Wand“ nennen.

John Zhai: Traditionelle Gebäudedesigns wollen lediglich die Hitze blockieren. „Hey, wir wollen nicht heizen – lass die Hitze nicht rein.“ Wir sagen: „Okay. Lassen Sie die Wärme herein, aber wir werden sie dorthin liefern, wo wir sie brauchen.“

John Zhai: Okay. Das ist also unser Bausystemlabor. [unverständlich] Also, komm rein...

Laurie Howell: John Zhai nennt die lebende Wand die „Haut des Gebäudes“, weil sie die Temperatur eines Gebäudes automatisch regulieren würde, so wie die Haut dabei hilft, die Körpertemperatur zu regulieren.

John Zhai: Die Venen unter der Haut können die Wärme von der Oberfläche zum Körper transportieren und können auch über ein Fett verfügen, das eine Art Isolierung darstellt. Dieses automatische System ist also in unserem Körper natürlich. Wenn wir uns also das gesamte Gebäude als einen Körper vorstellen, dann ist die Hülle davon die Haut.

Laurie Howell: Es ist wie ein menschliches Gefäßsystem aus Kapillaren, Venen und Arterien: Das Wasser wird auf jeder Etage durch kleine Röhren und Rohre innerhalb der lebenden Wand gesammelt und durch ein computergestütztes Gehirn oder ein Gebäudeautomationssystem gesteuert. Das Warmwasser wird im gesamten Gebäude zum Heizen, zur Warmwasserbereitung oder zur Wärmezufuhr in die schattigen Wohnwände umverteilt, um den Kamineffekt zum Kühlen zu verstärken. Das gesamte System basiert auf einem Grundgesetz der Thermodynamik. Die lebenden Wände leiten Energie sehr schnell und effizient von heiß nach kalt um, unabhängig davon, ob sie Wärme über Wasser oder Luft sammeln oder verteilen.

John Zhai: Die Hülle davon ist also Haut. Können wir also etwas Ähnliches oder Nachahmen dieses natürlichen Körpersystems tun, das über die Fettisolationsschichten, all diese Venen, diesen Blutfluss, den Luftfluss und all das Zeug verfügt, und dann können wir höchstwahrscheinlich eine Gebäudehülle haben, die das ist? kann sich an die Umgebung anpassen. Unabhängig davon, wie sich die Umgebung verändert, ist die Körperkern- und Körperinnentemperatur immer konstant. Wenn wir also dasselbe erreichen könnten, wäre das perfekt.

Laurie Howell: Zhai sagt, dass das lebende Wandsystem den Energieverbrauch um – verstehen Sie – 75 Prozent senken könnte. Und der Energieverbrauch sinkt um 75 Prozent, und zwar nicht durch die Verbesserung von Heiz- und Kühlsystemen, sondern durch deren gänzliche Abschaffung. Keine Boiler oder Kühlgeräte mehr, um eine angenehme Raumtemperatur zu erzeugen. Das Wohnwandsystem würde passives Heizen und Kühlen nutzen: Es arbeitet mit der Außentemperatur statt gegen diese.

Zhais CU-Professorkollege Fred Andreas ist der leitende Architekt des Teams, das diesen Millionen-Dollar-Prototyp zusammenstellt.

Fred Andreas: Es gibt keinen anderen Grund als den normalen Geschäftsbetrieb, warum wir unsere Gebäude so heizen, kühlen und beleuchten, wie wir es getan haben: als hermetisch abgeschlossene Einheiten, die von der Umwelt abgekoppelt sind. Die Idee der lebenden Wand besteht also darin, die Haut des Gebäudes in eine lebende Haut zu verwandeln, indem sie im Wesentlichen biologische Prozesse kopiert und so versucht, Wärme und Kühlung sowie Belüftung und Licht durch die Haut des Gebäudes selbst zu regulieren und die riesigen HLK-Systeme und Heizungen zu ersetzen , Lüftungs- und Klimaanlagen in jedem Gebäude und dann so viel natürliches Tageslicht wie möglich nutzen.

Laurie Howell: Die Außenschicht wird die aktuelle Smart-Glass-Technologie verwenden, die die Sonnenstrahlen blockieren oder regulieren und steuern kann, wie Wärme und Licht in die Wand eindringen. Die nächste Schicht der Wohnwand ist nur ein offener Raum zum Sammeln und Verteilen passiver Wärme und Kälte. Und an der Unterseite der Mauer fließt kühles Wasser aus einer Quelle, etwa einem Fluss, einem See, dem Meer oder einem unterirdischen Grundwasserleiter. Und die Oberseite der Wand wird durch das Backen in der Sonne heiß sein. Denken Sie nun darüber nach, wie ein Schornstein funktioniert, und genau das passiert hier: Der kühle/heiße Temperaturunterschied erzeugt einen Aufwind, und dieser Aufwind treibt heiße Luft passiv nach oben, in die mehrschichtigen Wände, wodurch kühle Luft durch das Gebäude gezogen wird und eine natürliche Belüftung entsteht. Je heißer die Luft, desto schneller steigt sie auf. So verrückt es auch sein mag, bei diesem passiven Kühldesign gilt: Je heißer die Wand, desto besser!

John Zhai: Das ist ein Testraum, den wir hier haben, in dem alle Gebäudesysteme, Wände und Systeme getestet werden können. Das ist also eine der Kammern. Beobachten Sie die Schritte.

Laurie Howell: Wir gehen an einem HVAC-System entlang, das sich über eine Länge von etwa 40 Fuß erstreckt. Es gibt zwei Räume, in denen jede Temperatur eingestellt werden kann. Hier wird das Team seinen ersten Prototyp installieren und testen.

John Zhai: Sie sehen also all diese Luftsysteme. Wir haben hier Wasserpaneele. Wir können, das kann Strahlung liefern. Wir können die Sonneneinstrahlung simulieren, sodass wir die Außenumgebung nachahmen können, sodass wir nicht nach draußen gehen müssen, um den echten Test durchzuführen, denn dort, wo der echte Umwelttest stattfindet, gibt es eine Herausforderung.

Laurie Howell: Das Team stellt sich vor, eines Tages lebende Wandbausätze für die Nachrüstung von Gebäuden, möglicherweise sogar Häusern, zu entwickeln. Aber im Moment konzentrieren sie sich auf die Lösung einiger rätselhafter Designprobleme. Ihre größte Herausforderung ist eine Schicht in der lebenden Wand, die aus sogenannten Hydrogelen hergestellt wird. Hydrogele sind chemische Verbindungen oder Polymere, die je nach Temperatur Flüssigkeiten aufnehmen oder abgeben. Sie werden in Produkten wie Windeln und für eine Vielzahl von Zwecken wie der Gewebezüchtung verwendet. Und sie sind der Schlüssel zum Funktionieren der lebenden Wand, denn wenn sich die Temperatur ändert, beginnen in der Wand eingebettete Hydrogele, Wasser zu pumpen. Abhängig von den Temperaturen außerhalb und innerhalb der Wohnwand pumpen die Hydrogele heißes oder kaltes Wasser von einer Seite der Wand zur anderen und kühlen oder heizen so das Gebäude. Die große Herausforderung für diese Forscher besteht derzeit darin, die Hydrogele in der lebenden Wand einzuschließen.

Fred Andreas: Die Herausforderung besteht also darin, wie bekommen wir eine Kunststoffsammelplatte, die die Wärmesammlung optimal maximiert und diese Wärme durch diese flexiblen Gele in die Tiefe der Platte transportiert, und wie bekommen wir diese flexiblen Gele in die Platte? in der Fertigung? Das ist derzeit unsere Herausforderung.

John Zhai: Richtig. Deshalb können wir weder herkömmlichen Beton noch Holz verwenden. Rechts? Wir müssen ein Polymermaterial verwenden, das ein poröses Medium ist, damit diese Art von Materialien irgendwo im Polymer, diesen Blasen, eingebettet oder befestigt werden können, sodass ein ganzes Stück Wand entsteht.

Fred Andreas: Und hier ist die andere Herausforderung: Es kann kein Glas sein, weil Glas, wenn es geformt wird, so heiß ist, dass es diese Hydrogele zerstören würde. Wir müssen also einen Weg finden, diese Hydrogele bei relativ niedriger Temperatur in dieses Panel einzuschleusen.

Laurie Howell: Dies ist nicht nur ein weiteres umweltfreundlicheres Gebäudedesign, es ist eine Veränderung in der Art und Weise, wie wir die Gebäude der Zukunft entwerfen werden.

Fred Andreas: Typische Systeme und typische Ansätze mit der gleichen Art von HVAC-Systemen, obwohl sie sehr effizient und hochtechnologisch sind, basieren sie immer noch auf denselben Annahmen, die wir im gesamten 20. Jahrhundert verwendet haben. Und das verändert es grundlegend, weg von der Idee innenklimatisierter Gebäude hin zu passiv kontrollierten Gebäuden.

Laurie Howell: Ja, wirklich ein Game Changer.

Fred Andreas: Game Changer.

Laurie Howell: Und deshalb hat es die Fantasie der nächsten Generation von Gebäudedesignern beflügelt. Die Doktoranden Tamzida Khan und Scott Rank sind gespannt auf die Zukunft des intelligenten Gebäudedesigns.

Scott Rank: Wissen Sie, schon bald sollte es keine grüne Architektur mehr geben. Es sollte einfach Architektur sein und diese sollte in alles integriert sein. Ich denke also, ja, wir haben einen langen Weg zurückgelegt, aber ich denke, dass wir auf jeden Fall noch viel weiter gehen müssen.

Tamzida Khan: Wenn wir kein Risiko eingehen, kommen wir nicht voran, und ich denke, es ist wirklich wichtig, dass wir Risiken eingehen.

Fred Andreas: Ich sage meinen Studierenden immer wieder, dass ich grundsätzlich davon überzeugt bin, dass sie diese Zeitspanne gerade jetzt, diesen Wandel ins 21. Jahrhundert, betrachten werden, dass sie in 1000 Jahren darauf zurückblicken werden, als wäre es die Renaissance, gleichbedeutend zur künstlerischen und kulturellen Renaissance, die zuvor stattgefunden hatte. Ich denke, dass dies eine architektonische und technische Renaissance ist, die wir gerade jetzt, zu Beginn des dritten Jahrtausends, erleben.

Fred Andreas: Ich denke, der Himmel ist die Grenze.

Laurie Howell: Ich bin Laurie Howell und berichte zu Beginn des dritten Jahrtausends über eine möglicherweise architektonische und technische Renaissance.

Susan Hassler: Lebende Wände, wie die Hautschichten unseres Körpers.

Phil Ross: Faszinierendes Konzept! Ich mag das.

Susan Hassler: Und was für eine Belohnung! Durch den Wegfall von Heiz- und Kühlsystemen sinken die Energiekosten um 75 Prozent.

Phil Ross: Arbeiten mit der Außentemperatur statt dagegen. Es. In unserer bionischen Zukunft gibt es noch mehr zu beachten.

Susan Hassler: Sie haben „Becoming Bionic“ gehört, eine Koproduktion des IEEE Spectrum Magazine und des Directorate for Engineering der National Science Foundation.

Phil Ross: Die Direktion unterstützt Menschen, deren Entdeckungen und Erfindungen unser Leben produktiver, nachhaltiger und angenehmer machen.

Susan Hassler: Transkripte dieses Programms und ausführliche Geschichten finden Sie auf der IEEE Spectrum-Website: Spectrum.ieee.org.

Phil Ross: Viele weitere technische Features finden Sie auf der Website der National Science Foundation: NSF.gov.

Susan Hassler: Unser Dank geht an Cliff Braverman, Cecile Gonzalez, Valerie Thompson, John Wassel, Prachi Patel, Nancy Hantman, Ramona Gordon und Paul Ruest in den Argot Studios.

Susan Hassler: Unser technischer Produzent ist Dennis Foley. Unsere ausführende Produzentin ist Sharon Basco.

Phil Ross: Ich bin Phil Ross.

Foto: iStockphoto