Fundamentale Prinzipien aus Biologie und Elektrotechnik miteinander kombinieren. Was auf den ersten Blick abwegig erscheint, ist für die Arbeit von Heinz Koeppl charakteristisch. Der gebürtige Österreicher bewegt sich seit Jahren auf dem noch jungen Forschungsfeld der Synthetischen Biologie, das diese Schnittstelle bedient. Er ist überzeugt, dass die Konstruktionsprinzipien der Ingenieurswissenschaftler auch auf biologische Systeme wie Zellen übertragbar sind. An der Technischen Universität Darmstadt forscht Koeppl derzeit an Schaltkreisen, die sich in Zellen implementieren lassen. „Wir wollen Bakterien intelligenter machen und sie mit zusätzlichen Fähigkeiten ausstatten, die für uns Menschen interessant sind“, erklärt Koeppl.

Verhalten genetischer Schaltkreise vorhersagen

Das Ziel ist ambitioniert. Zunächst ist Grundlagenforschung angesagt. Koeppls Arbeit wird im Rahmen vom Europäischen Forschungsrat (ERC) in den kommenden fünf Jahren mit 2 Mio. Euro gefördert. Ziel des Projektes „CONSYN – Kontextualisierung biomolekularer Schaltkreismodelle für die Synthetische Biologie“ ist es, Computermodelle zu entwickeln, die das Verhalten von genetischen Schaltkreisen verlässlich und effizient vorhersagen.

Mit Schaltkreisen kennt sich der Systembiologe und promovierte Elektrotechniker aus. Schon während seiner Kindheit im österreichischen Kärnten liebte er es, in der kleinen Elektrotechnik-Firma seines Vaters mitzuhelfen. „Ich habe halt immer gern rumgebastelt, habe Sachen zerlegt und wieder zusammengebaut.“ Doch das Rumbasteln reichte Koeppl nicht aus. Er wollte das Prinzip verstehen, wollte wissen, warum etwas so und nicht anders funktioniert oder auch nicht. Seiner Neugier folgend ging er 1994 nach Graz, um an der Karl-Franzens-Universität Physik zu studieren.

Von der Elektrotechnik zur Systembiologie

Doch schon die Diplomarbeit führte ihn auf den Pfad der Elektrotechnik zurück. Beim Halbleiterspezialisten Infineon schrieb Koeppl 2000 seine Abschlussarbeit zum Thema Modellierung von Nichtlinearitäten in Schaltkreisen und promovierte schließlich mit Unterstützung des Unternehmens 2004 an der Technischen Universität Graz in der Elektrotechnik. Ko-Betreuer und Elektrotechnik-Experte Martin Hasler von der ETH Lausanne hatte Koeppl schon damals zum Richtungswechsel in die Biologie inspiriert.

Die Wende hin zur Biologie kam dann während seines Postdoc-Aufenthaltes 2005 in den USA an der UC Berkeley. Hier war es Adam Arkin, der den Elektrotechniker auf die Spur der Systembiologie brachte. „Die Biologie hat immer schon dezentral funktioniert, wenn sie an Vogelschwärme denken. Der ganze Vogelschwarm fliegt in eine Richtung, obwohl es keinen zentralen Dirigenten gibt. Das gilt auch für Zellen. Diese Selbstorganisation, diese Verteiltheit im Innern, hat mich schon immer fasziniert“, erklärt Koeppl den Kurswechsel. Drei Jahre arbeitete er als Assistenzprofessor an der ETH Zürich, und leitete zusätzlich die Systembiologiegruppe bei IBM Research Zurich. 2014 bot sich Koeppl an der TU Darmstadt die Chance, seiner Faszination auf den Grund zu gehen.

Natur als Vorbild für die Technik

Als Professor für bioinspirierte Kommunikationssysteme nimmt sich der zweifache Familienvater nun die Natur zum Vorbild und versucht, deren Mechanismen auf die Technik zu übertragen. „Es geht darum, von der Biologie, die offensichtlich sehr robust ist, das Wirkprinzip abzuschauen und dann eine neue Technologie zu bauen, die ebenso robust funktioniert und auch noch skalierbar ist.“ Nicht nur Vogel- und Fischschwärme, sondern auch Bakterien dienen ihm als Vorbild. Koeppl zufolge entwickeln auch sie ab einer bestimmten Dichte eine ähnliche „kollektive Dynamik“ wie Vogelschwärme.

Die Natur dient Forschern seit jeher als Vorbild. Bei der Entwicklung neuer Materialien wie Oberflächenbeschichtungen stand die Natur schon öfters Pate. Doch um sie zu kopieren, muss man sie verstehen. Und das ist die Herausforderung, die Koeppl zu meistern versucht, und das mit der gesamten Bandbreite seines Ingenieurwissens. Gerade bei der Modellierung genetischer Logikschaltkreise ringt Koeppl noch immer mit vielen unbekannten Faktoren, die eine Vorhersage erschweren. „Man kann nur bekannte Effekte modellieren. Teilweise sind diese aber nicht bekannt“, sagt er. „Auch haben wir noch ein unvollständiges Bild von einer Einzelzelle wie E. coli oder Hefe. Und es gibt Proteine, die irgendeine Funktion übernehmen, die wir bisher noch nicht kennen.“

Schaltkreise in biologischen Systemen integrieren

Für Koeppl sind diese „Störfaktoren“ eine willkommene Herausforderung. Die in der Elektrotechnik als Nichtlinearitäten und Rauschen bezeichneten Hemmnisse will er auch in biologischen Systemen aufspüren. Deshalb verbringt der Forscher auch Zeit im Labor. Anders als in seiner Jugend experimentiert er nicht mit technischen Geräten, sondern mit Zellen. „Wir fügen genetische Schaltkreise in die Zelle ein und dann setzen wir beispielsweise die Zelle unter Stress. So kann man sehen, wie sich der synthetische Schaltkreis verändert, was für den Einbau in die Zelle wichtig ist“, erklärt Koeppl.

Koeppl ist überzeugt, dass mithilfe der Modellierungsmethoden aus der Ingenieurswelt wie Differenzialgleichungen auch synthetisch-biologische Schaltkreise modelliert werden können. Zunächst muss Koeppl im Labor die Störfaktoren ausloten, um am Ende genetische Schaltkreise so konstruieren zu können, dass sie dagegen gewappnet sind. In der Zelle sollen diese dann selbstständig agieren und dort bestimmte Funktionen übernehmen.

Biochemische Reaktionen per Computer vorhersagen

Dazu bedarf es vor allem eines: Daten aus der lebenden Zelle, die verraten, wie sich der eingefügte Schaltkreis innerhalb einer Zelle verhält. Und Daten aus biophysikalischen Modellen, um damit Gleichungen aufzustellen, wie Koeppl erläutert. Dabei hilft den Bioingenieuren auch das maschinelle Lernen. „Das verwenden wir, um solche Schaltkreismodelle zu kalibrieren, um unbekannte Parameter aus Trainingsdaten zu schätzen“, sagt Koeppl.

Die Mission des Forschers: biochemische Reaktionen in der Zelle wie ein Architekt am Computer entwerfen. „Die Synthetische Biologie muss vorhersagbar werden, wenn sie den Ingenieursansatz ernst nimmt“, betont Koeppl. „Denn ein Grundprinzip in der Ingenieurwissenschaft ist die Kombinierbarkeit von Komponenten. Man muss Teile und Systeme vorhersagbar wie Lego zusammensetzen können.“

Autorin: Beatrix Boldt