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In der neuen Ausgabe des Podcasts "Digital leben" diskutiert Host Marcel Roth (links) Bildrechte: MDR, IPK A. Bähring, Frank Preuß

Podcast "Digital leben"Genetik und Gehirn-Computer-Schnittstellen: Wie digital wird das biologische Leben?

03. März 2023, 19:38 Uhr

Manche wollen das ausgestorbene Wollmammut wieder auferstehen lassen, andere neue Gene ins Erbgut einpflanzen. Wieder andere wollen Computer und Hirne verbinden. Ganz so einfach ist es nicht. Aber digitale Technologien beschleunigen die Forschung. Im Podcast "Digital leben" sagen Experten, was möglich sein kann – und welche Risiken es gibt.

Seit mehr als 20 Jahre arbeitet Uwe Scholz beim Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben. Das Institut gehört zur Leibniz-Gemeinschaft und Scholz hat mittlerweile eine Art Doppelrolle: Er ist für die IT-Infrastruktur zuständig und er ist gleichzeitig Forscher. Als Bioinformatiker will er auch herausfinden, wie sich die Unmengen Forschungsdaten am sinnvollsten managen lassen.

Weil Hard- und Software in den vergangenen Jahrzehnten enorme Sprünge gemacht haben, können immer mehr Informationen über Pflanzen erhoben und gesammelt werden. So entstehen enorme Datenmengen am IPK. Das Institut forscht vor allem an Kulturpflanzen wie Gerste oder Weizen. Seit 80 Jahren werden so Informationen über Pflanzen gesammelt.

Mehr Daten, mehr Forschung

In seiner Zeit am IPK kann Uwe Scholz diese Entwicklung in einem beeindruckenden Satz zusammenfassen: "Als wir 1993 unseren ersten Sequenzierautomaten bekommen haben, hätte der zum Beispiel 12.000 Jahre gebraucht, um die fünf Milliarden Basenpaare der Gerste zu bestimmen. Heute geht das in drei Minuten."

Ein Sequenzierautomat würde in wenigen Tagen fünf Terrabyte Daten ablegen. "Vor ein paar Jahren hätten wir gar nicht gewusst, wo wir das speichern können", sagt Scholz. Hinzukommt: Ihre Rohdaten müssen die Forscher mindestens zehn Jahre aufbewahren. "Aber ich habe es noch nie erlebt, dass wir irgendwelche Daten gelöscht haben. Sie wurden immer auf neue Systeme kopiert."

Uwe Scholz ist beim IPK in Gatersleben für die IT zuständig und forscht selbst, wie sich die Datenmengen aus der Biologie gut managen lassen. Bildrechte: IPK A. Bähring

Die Daten des Erbguts können sich Forscherinnen und Forscher dann am Rechner ganz genau anschauen – und haben dafür einen erstaunlichen Begriff: "Wir nennen das Genom-Browser. Forscher können so nach einem bestimmten Gen auf einem bestimmten Chromosom suchen und springen mit dem Genom-Browser direkt dorthin."

Das Digitale beschleunigt die Gen-Forschung

Eine neue Methode in der Genetik spielt auch am IPK eine Rolle: die CRISPR-Genschere. Damit lässt sich die DNA gezielt zerschneiden und ein Gen in sie einfügen. Für die Methode haben zwei Forscherinnen den Nobelpreis gewonnen – mittlerweile arbeiten Forscherinnen und Forscher weltweit daran, wie sich damit das Leben der Menschen verbessern lässt. Möglicherweise lässt sich so auch das HIV bekämpfen.

Die CRISPR-Genschere ist deutlich präziser als andere Methoden, um neue Pflanzen zu züchten. Scholz sagt, als Informatiker würde er kein Programm schreiben, ohne zu wissen, welche Funktion es hat. So würden aber alte Züchtungsmethoden funktionieren.

Weitere Beispiele für CRISPR-Anwendungen

So spektakulär all das klingt – so herausfordernd ist es auch, sagt Uwe Scholz: "Bei Genscheren muss man ja die richtige Stelle für ein bestimmtes Gen finden, das eben für bestimmte Merkmale verantwortlich ist." Die große Herausforderung ist, die richtigen Stellen zu finden.

Dann könne man mit Genscheren in das Erbgut von Pflanzen eingreifen und Gene einfügen. So können Pflanzen entstehen, die besser mit Trockenheit umgehen können. Aber am IPK geht es weniger darum, neue Gene in Kulturpflanzen einzufügen: "Wir schauen zum Beispiel, wie Gerste sich verändert, wenn wir einige ihrer Gene an- oder ausschalten." Im Übrigen bringe solche Forschung nur dann etwas, wenn es weiterhin Bienen gibt, die Kulturpflanzen bestäuben.

KI im Labor: Leben beobachten und erschaffen?

Diese Forschung lässt sich nicht allein am Computer oder im Labor erledigen. Das IPK hat auch viele Felder und Gewächshäuser. Wachsen die Pflanzen dann im Gewächshaus, kommen allerdings wieder digitale Methoden zum Einsatz, um sie zu vermessen.

Dazu nutzt das IPK Gatersleben Methoden der künstlichen Intelligenz, sagt Scholz: "Manche unserer Pflanzen sind auf Transportbändern unterwegs und werden permanent mit verschiedenen Kameras fotografiert." Der Fachbegriff dafür: Anlagen für Hochdurchsatz-Phänotypisierung. So könne zum Beispiel Chlorophyllgehalt, Biomasse und Pflanzenhöhe bestimmt werden. "Diese Bilder kann man natürlich nicht manuell auswerten. Das machen wir mit KI-Methoden wie maschinellem Lernen."

KI-Methoden helfen bei Biologie-Projekte derzeit vor allem in der Auswertung von Daten: Lässt sich damit Sprache und Kommunikation von Pottwalen entschlüsseln? Oder die von Affen, Elefanten, Raben und Geiern? KI-Methoden können auch schnell Medikamente entwerfen. Oder Chemiewaffen.

Ist das Erbgut bald zusammenklickbar?

Hochentwickelte Sequenzierungsautomaten für Erbgut, Genom-Browser, KI zur Analyse von Bildern und die Genschere CRISPR: Können wir bald Gene und Lebewesen am Computer zusammenklicken? So wie wir es mit Webseiten machen? Im MDR SACHSEN-ANHALT Podcast "Digital leben" sagt Scholz: "Das wäre vielleicht eine Wunschvorstellung. Aber so weit sind wir noch lange nicht."

Aber in einem anderen Feld zeigen digitale Technik bereits heute, wie sie einen lebenden Körper durchdringen. Bei Computer-Gehirn-Schnittstellen.

Computer wissen eher Bescheid als der Mensch

Denn das, was Elsa Kirchner von der Uni Duisburg-Essen im MDR SACHSEN-ANHALT-Podcast "Digital leben" erzählt, klingt eigentlich nach Science Fiction. Kirchner arbeitet an der Schnittstelle zwischen Medizintechnik, Robotik und Neurowissenschaft. Eine ihrer Methoden sind EEGs: Dabei bekommen die Probanden eine Art Badehaube mit Kabeln aufgesetzt und Forscherinnen oder Forscher können ihnen so quasi live ins Gehirn schauen.

Eines von Kirchners Forschungsfragen derzeit ist, wie wohl sich Menschen mit robotischen Prothesen fühlen und ob zum Beispiel Menschen, die Roboter fernsteuern, einen Tunnelblick haben. "Wir entwickeln Schnittstellen, die zum Beispiel überwachen, ob jemand, der vielleicht gerade einen Roboter fernsteuert, etwas Wichtiges übersieht", sagt Kirchner, die auch am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Bremen tätig ist.

Elsa Kirchner von der Uni Duisburg-Essen und dem Deutschen Forschungsinstitut für Künstliche Intelligenz (DFKI): "Mein Roboter weiß, dass ich mich bewegen will, bevor ich es selbst weiß." Bildrechte: Frank Preuß

Der Blick ins Gehirn erstaunt Kirchner und auch viele andere. Denn dank Rechner und Software ist der Blick ins Gehirn ein echter Blick in die Zukunft: "Mit EEGs messen wir von außen und können vorhersagen, dass man sich bewegen möchte", sagt Kirchner. Das besonders Erstaunliche: Diese Vorhersage kann ein Computer machen, bevor es dem Menschen selbst bewusst wird. "Wenn man das erlebt, dann ist das schon ein bisschen skurril."

Computer, Körper und Gehirn rücken näher zusammen

Die Vorhersage ist sinnvoll für Kirchners Arbeit an Roboterarmen, die zum Beispiel Menschen helfen, sich zu bewegen. "Mein Roboter weiß, dass ich mich bewegen will, bevor ich selbst weiß, und macht die Bewegung." Aber wer in die Planungsphase des menschlichen Gehirns schauen kann, kann damit noch mehr anstellen. Wer beim Pokern flunkert, kann so ertappt werden. "Sie können dann faktisch nicht mehr lügen", sagt Kirchner.

Und all das ist eben nur möglich, weil Rechner und Software leistungsfähiger wurden. Dabei entstehen so viele Daten, dass Kirchner sich auch mit IT auseinandersetzen muss. "Es fallen so viele Daten an: Die kriegt man nicht einfach gehandhabt und ich muss mich mit Experten unterhalten."

Erweiterung des menschlichen Körpers: Biohacking?

Mit ihren Forschungen zu Computer-Hirn-Schnittstellen ist Kirchner nicht allein. Weltweit wird daran geforscht. Nicht nur an Universitäten: Milliardär Elon Musk zum Beispiel hat mit seiner Firma Neuralink vor, Menschen ein Gehirnimplantat einzupflanzen. So sollen Blinde wieder sehen oder Querschnittsgelähmte wieder laufen können. Musk hat erste Versuche an Menschen für dieses Jahr angekündigt – das hatte er aber bereits für 2020 und 2022 getan. 

Dank Start-ups und findiger Unternehmen wird digitale Technik schon längst eingesetzt, um das biologische Leben zu verbessern. Denn auch so lassen sich Fingerringe oder Uhren, die Schlaf, Puls und Aktivität messen, verstehen. Oder EEG-Sensoren, die Audiofeedback für einen besseren Schlaf generieren. Oder ein Blutzuckermessgerät, das Ernährungstipps gibt. Oder eine Art Implantat wie das der Firma "North Sense", mit dem Menschen eine Himmelsrichtung erfühlen können. Werden wir Cyborgs? Ist das Biohacking?

Ein Cyborg mit einem neuen Sinn

Mit digitalen Technologien wollen manche Menschen auch ihre Sinne, ihren Körper erweitern. Liviu Babitz zum Beispiel hat die Firma "North Sense" gegründet. 2017 hat die Firma den North Sense für 360 Euro verkauft. Mehrere hundert Menschen haben das Gerät gekauft: Es ist mit Piercings an der Brust befestigt und vibriert jedes Mal, wenn sich der Träger Richtung Norden wendet. "So weiß ich zum Beispiel immer, wo mein Sohn ist". Als Cyborg sieht sich Babitz aber nicht. Er will auch Menschen nicht durch Maschinen ersetzen: "Ich habe als Menschenrechtsaktivist gearbeitet. Und ich liebe mein Gehirn, dort hänge ich wohl die meiste Zeit ab. Wir wollen dem Menschen etwas hinzufügen und verbessern."

Risiken, Missbrauch und neue Angriffsmöglichkeiten

Wo Digitales im Spiel ist, entstehen neue Risiken und auch Angriffsmöglichkeiten. Und beide Experten sagen übereinstimmend: CRISPR und Methoden der Hirnforschung bergen ein Missbrauchsrisiko. "Aber absolute Kontrolle ist ein Wunschdenken", sagt Kirchner von der Uni Duisburg-Essen und meint damit sowohl Staaten als auch Kriminelle, die Technologien für ihre Zwecke nutzen und gegen andere Menschen und Staaten einsetzen können.

"Es ist denkbar, dass mit Computer-Hirn-Schnittstellen, besonders durch Stimulation, das Gehirn und der Mensch manipuliert wird und Dinge preis gibt", sagt Kirchner. "Aktuell kann man unsere Gehirndaten nicht von Satelliten aus messen. Wir müssen immer etwas auf dem Kopf tragen." Aber um Risiken überhaupt zu sehen und die Entwicklung zu beeinflussen, sei ihre Forschung wichtig. Und auch Vernetzung mit anderen Forschern: Die Cyberagentur des Bundes in Halle arbeite gerade daran, Forscher und Einrichtung in Deutschland zu vernetzen, die im weiten Bereich der Computer-Hirn-Schnittstellen arbeiten.

Hackbares Erbgut? Hackbare Rechner?

Und beim digital gespeicherten Erbgut? DNA sei ein Sicherheitsrisiko, sagt zum Beispiel eine Zukunftsforscherin. Zum einen, weil jeder überall sein Erbgut hinterlasse: als ausgefallenes Haar oder als Speichelreste am Glas. Und zum anderen, weil Erbgut digital gespeichert wird und deshalb auch verändert werden kann – Mutation durch einen Computerhacker?

Uwe Scholz sieht das derzeit nicht. Als IT-Chef des IPK in Gatersleben treibt ihn derzeit ohnehin etwas anderes um: die Sicherheit vor Hackerangriffen. Derzeit werden immer wieder Hochschulen und Unis von Hackern angegriffen, die deren Daten verschlüsseln und die Institutionen erpressen: etwa die Hochschule Harz, die TU Freiberg oder die Uni Duisburg-Essen von Elsa Kirchner.

"Unser Direktor fragt immer, wie hoch gerade die Gefährdungslage ist", sagt Scholz. "Letztendlich kann man sagen, die Gefährdungslage war noch nie so hoch wie heute. Und sie wird quasi ständig höher." Die Daten am IPK seien zwar dreifach und auch in drei verschiedenen Gebäuden gespeichert, sagt Scholz. Aber darauf wetten, dass in seinen Systemen keine Schadsoftware ist, würde er nicht.

Mehr zum Thema: Digitalisierung in Sachsen-Anhalt

MDR (Marcel Roth)

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