Der Exzellenzcluster BioSysteM will sich selbst organisierende molekulare und zelluläre Systeme mit programmierbaren, lebensähnlichen Eigenschaften entwickeln. Der Fokus reicht dabei von biomolekularen Maschinen für die Biosynthese und intelligenten Materialien über biomedizinische Mikroroboter und musterbasierte Therapeutika bis hin zur Steuerung der Zelldifferenzierung und Organbildung als Grundlage einer neuen Generation revolutionärer Anwendungen in der Biomedizin. Sprecher Prof. Friedrich Simmel erklärt im Interview, warum dabei der Einbindung der Gesellschaft besondere Bedeutung zukommt.

Herr Professor Simmel, was erforschen Sie mit Ihren Kolleginnen und Kollegen im neuen Exzellenzcluster BioSysteM?

Im Kern geht es darum, biologische Systeme gezielt gestalten und kontrollieren zu können - also Biologie nicht nur zu verstehen, sondern aktiv zu entwerfen. Man nannte das früher "synthetische Biologie", heute sprechen wir eher von "Engineering Biology". Es geht darum, molekulare Bausteine - meist Proteine oder DNA - so zu designen, dass sie bestimmte Aufgaben erfüllen. Diese Komponenten lassen sich dann zu größeren biologischen Systemen zusammenfügen.

Also Grundlagenforschung mit einem starken Fokus auf angewandte Biotechnologie?

Biotechnologie gibt es natürlich schon lange. Der Unterschied ist, dass wir nicht einfach biologische Prozesse nutzen, sondern auf molekularer Ebene völlig neue Systeme konstruieren - manchmal sogar von Grund auf. Ein Beispiel ist das Design künstlicher Zellen oder molekularer Maschinen und Motoren. Unser Ziel ist es, biologische Funktionen neu zu erschaffen, zu kombinieren oder gezielt zu verbessern - sei es für medizinische, materialwissenschaftliche oder auch ganz neue Anwendungen.

Wie hilft dabei künstliche Intelligenz?

Enorm. Erst KI-gestützte Verfahren ermöglichen es uns, etwa Proteine zu entwerfen, die es in der Natur nie gab. Viele dieser Prozesse sind hochkomplex und schwer vorherzusagen - KI kann helfen, Muster zu erkennen und optimale Designs vorzuschlagen. Deshalb haben wir im Cluster eine eigene "AI Core Unit" etabliert, mit Datenwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern, die unsere Forschung direkt unterstützen. Ergänzt wird das durch ein Advisory Board, in dem Expertinnen und Experten wie Karsten Borgwardt vom Max-Planck-Institut mitwirken.

Welche Disziplinen arbeiten in BioSysteM zusammen?

Wir sind stark interdisziplinär aufgestellt: Biophysik, Biochemie, Molekularbiologie, Bioengineering, Informatik - und natürlich Medizin. Dabei ist uns wichtig, die Zusammenarbeit nicht nur thematisch, sondern auch strukturell zu fördern. Das betrifft etwa die Entwicklung komplexer zellulärer Modelle wie Organoide, mit denen wir biologische Systeme simulieren können - bis hin zu gewebeähnlichen Strukturen. Ein zentrales Prinzip dabei ist die Selbstorganisation: Viele der Systeme, die wir entwerfen, bestehen aus einer Vielzahl von Komponenten, die miteinander interagieren. Durch dieses Zusammenspiel können völlig neue Funktionen und Eigenschaften entstehen, die sich nicht allein aus den Eigenschaften der Einzelteile ableiten lassen.

Welche konkreten Ziele haben Sie für den Cluster?

Wir verfolgen neben grundlagenorientierter Forschung auch anwendungsbezogene "M-Projects“ – M steht für Mission bzw. Munich. Hier arbeiten mehrere Gruppen gemeinsam an einem klaren Ziel - etwa der Entwicklung von neuartigen Therapiekonzepten oder Diagnostik-Tools. Eines dieser Projekte beschäftigt sich mit der Frage, wie man Zellen gezielter ansprechen kann - über komplexe Muster auf der Zellmembran. Das wäre etwa für die Immun- oder Zelltherapie relevant.

Sie sprechen also davon, Zellen sehr gezielt anhand bestimmter Muster zu identifizieren und anzusteuern. Lässt sich dieser Ansatz noch weiter denken? Wären das am Ende so etwas wie intelligente Nano-Roboter im Blut?

Die Vision ist nicht ganz falsch, auch wenn das Bild etwas vereinfacht ist. Es geht darum, molekulare Systeme zu entwickeln, die Signale erkennen, darauf reagieren und zum Beispiel therapeutisch aktiv werden. Man kann sich das als Mini-Sensoren vorstellen, die auf ein Krankheitsmuster reagieren und gezielt Wirkstoffe freisetzen - autonom und ohne Nebenwirkungen für gesunde Zellen.

Welche weiteren Anwendungsfelder sehen Sie?

Neben der Medizin sehen wir großes Potenzial in der nachhaltigen Bioproduktion. So könnten wir neuartige Enzymkaskaden entwickeln, mit denen sich Stoffe effizienter herstellen lassen. Auch in der Materialwissenschaft gibt es spannende Perspektiven, etwa für bioinspirierte Sensoren in der Robotik.

Welche Rolle spielt für Sie die Wahrnehmung Ihrer Forschung durch die Öffentlichkeit

Eine zentrale. Wir wissen, dass die meisten Menschen wenig Zugang zu biologischer Forschung haben - und zugleich besteht großes Interesse, aber auch Skepsis, etwa gegenüber Gentechnik. Deshalb wollen wir die Öffentlichkeit aktiv einbeziehen: mit sogenannten "Biomolecular Design Studios", die wir gemeinsam mit dem Deutschen Museum realisieren. Dort sollen Laien Einblick in unsere Forschung erhalten - durch Experimente, Ausstellungen und Diskussionen.

Auch ein Beitrag zur Verknüpfung von Wissenschaft und Ethik?

Absolut. Wir wollen offen über Risiken und Chancen sprechen. Viele Methoden, mit denen wir arbeiten, finden ohnehin außerhalb lebender Organismen statt - etwa in künstlichen Zellmodellen. Dennoch müssen wir reflektieren, was wir tun. Dafür haben wir unter anderem die Wissenschafts- und Techniksoziologin Ruth Müller an Bord, die besonders den gesellschaftlichen Kontext mitdenkt.

Manche würden sagen: Was Sie machen, ist das Gegenteil von Evolution - es ist Design.

Ja und nein. In vielen Fällen nutzen wir tatsächlich evolutionäre Prinzipien: Wir erzeugen viele Varianten eines Systems, testen ihre Leistung und wählen die besten aus. Kombiniert mit KI, rationalem Design, Hochdurchsatz-Experimenten und evolutionären Prinzipien entsteht daraus ein mächtiges Werkzeug. Das ist ein neues Forschungsparadigma, das sich von früheren Arbeitsweisen in der Biologie grundlegend unterscheidet. Wir wollen Biologie als Technologie denken.

Weitere Informationen und Links

• BioSysteM ist einer von 70 Exzellenzclustern, die in den nächsten sieben Jahren durch die Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert werden.
• Neben TUM und LMU als gemeinsame Antragstellerinnen sind das Max-Planck-Institut für Biochemie und das Helmholtz Zentrum München an BioSysteM beteiligt. Sprecher auf TUM-Seite ist Prof. Friedrich Simmel (Biophysik).
• Exzellenzcluster der TUM

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Kontakte zum Artikel

Prof. Dr. Friedrich Simmel
Exzellenzcluster BioSysteM
Technische Universität München
TUM School of Natural Sciences
Lehrstuhl für Physik Synthetischer Biosysteme
simmel@tum.de

Originalartikel: https://www.tum.de/aktuelles/alle-meldungen/pressemitteilungen/details/biologie-als-technologie-denken