Expertenbeitrag

Dipl. Betriebswirt Otto Geißler

Dipl. Betriebswirt Otto Geißler

Freier Journalist

Missing Link entdeckt Was ist das Internet of Bio Nano Things (IoBNT)?

Autor / Redakteur: Otto Geißler / Sebastian Human

US-Wissenschaftlern ist es gelungen, ein besonderes Kommunikationssystem zu entwickeln. Es kann Informationen zwischen einer bioelektronischen Schnittstelle, die in lebende Zellen eingebettet wird, und einem konstruierten mikrobiellen Netzwerk, einem Internet of Bio Nano Things (IoBNT), austauschen.

Firmen zum Thema

IoBNT-Netzwerke können biologische und chemische Veränderungen im Körper erfassen und die gesammelten Daten an ein Data Center zur weiteren Verarbeitung senden.
IoBNT-Netzwerke können biologische und chemische Veränderungen im Körper erfassen und die gesammelten Daten an ein Data Center zur weiteren Verarbeitung senden.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Was wäre, wenn beispielsweise Sensoren ein aktives Virus in einem Menschen erkennen und ihn in Echtzeit warnen könnten? Oder was wäre, wenn ein Diabetespatient eine ähnliche Technologie nutzen könnte, um eine Dosis Insulin zu erhalten, sobald sein Blutzuckerspiegel ansteigt?

Bislang standen die Entwickler trotz rasanter Fortschritte im Wearable-Bereich vor einer großen Hürde, solche Technologie-Lösungen zu realisieren. Das lag daran, dass mikroelektronische Geräte Elektronen bereitstellen, die in biologischen Systemen nicht existieren. Das heißt, es bestand eine große Kluft zwischen der Mikroelektronik und der biologischen Welt.

Konnektivität mit BioLANs

Doch das ist jetzt mittlerweile Geschichte. Wissenschaftlern ist es gelungen, ein mikrobielles Netzwerk zu kreieren, das mithilfe sogenannter Redox-Moleküle Elektronen an jeden Ort des Körpers transportieren kann. Ein solches elektronisch kontrolliertes und biologisch-lokales Netzwerk wird als BioLAN bezeichnet. BioLANs sind vor allem dazu fähig, an ein externes elektronisches IT-System anzudocken, um biologische Funktionen in Echtzeit abzufragen und zu steuern.

Das heißt, ein BioLAN erhält Informationen, die über einen elektronischen Input eingespeist werden und wandelt sie dann in eine biologische Reaktion um. Auf diese Weise kann über das BioLAN die Initiierung und Abgabe eines Therapeutikums erfolgen. Des Weiteren ist es möglich, dass das BioLAN gentechnisch veränderte Bakterienzellen anweisen kann, beispielsweise den sogenannten Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierenden Faktor (GM-CSF) zu erzeugen. Dabei handelt es sich um ein Therapeutikum, das zur Behandlung von Morbus Crohn und mehreren immunologischen Erkrankungen verwendet wird.

Architektur des IoBNT

Die IoBNT-Architektur ist eine erweiterte Version des Paradigmas des Internet der Dinge (IoT). Dabei nutzt das IoBNT das IT-Backbone des IoT. Wobei die im IoBNT verwendeten Sensoren und IT-Technologien zur molekularen Kommunikation natürlich im Nanobereich dimensioniert sein sollen. Ferner muss für die erfolgreiche Implementierung eines IoBNT gewährleistet sein, dass heterogene Geräte über einige Schnittstellen zwischen dem elektronischen Bereich des Internets und dem biochemischen Bereich auf Nano- bis Makroebene kooperieren können.

Dabei wird beispielsweise ein biochemisches Signal aus dem Inneren des menschlichen Körpers über eine Bio-Cyber-Schnittstelle in ein elektromagnetisches Signal umgewandelt und über Bluetooth oder eine gleichwertige Technologie an einen medizinischen Server zur weiteren Analyse und Verarbeitung übertragen. Die Hauptelemente eines solchen IoBNT-Kommunikationsnetzes umfassen im Wesentlichen Bio-Nano-Things, ein Nano-Netzwerk, eine Bio-Cyber-Schnittstelle, Gateway-Geräte und einige medizinische Server.
Was sich hinter den einzelnen Begriffen verbirgt, erläutern wir nachfolgend.

Nano-Netzwerk
Ein Nano-Netzwerk besteht aus mehreren sehr winzigen Nano-Geräten beziehungsweise Bio-Nano-Things wie beispielsweise Nano-Maschinen, Nano-Sendern, Nano-Empfängern, Nano-Routern und Nano-Schnittstellen. Diese Nano-Netzwerke werden im Allgemeinen in den menschlichen Körper oral oder durch Injektion eingebracht, um in vivo, also im lebenden Organismus, biomedizinische Anwendungen auszuführen. Zur Erfüllung dieser Aufgaben der Datenerfassung und –verwendung müssen die einzelnen Nano-Geräte untereinander agieren.

Bio-Nano-Things
Diese Nano-Geräte sind nicht nur Rechenmaschinen, die auf wenige Nanometer verkleinert wurden. Auch nutzen diese Geräte die einzigartigen Eigenschaften von Nanozellen und Nanopartikeln, um neue Arten von Phänomenen zu erkennen und zu messen. So können Nano-Geräte beispielsweise chemische Verbindungen oder das Vorhandensein verschiedener Infektionserreger wie schädliche Viren oder Bakterien nachweisen.

Dabei muss man zwischen elektronischen und biologischen Nano-Geräten unterscheiden. Die elektronischen Nano-Geräte verwenden beispielsweise neuartige Nanotechnologie-Materialien wie Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen-Nanobänder. Die biologischen Nano-Geräte werden mit den Instrumentarien der Nanotechnologie und der synthetischen Biologie entwickelt.

Biologische Nano-Bauteile können beispielsweise durch Reprogrammierung biologischer Materialien wie Zellen, Viren, Bakterien, rote Blutkörperchen oder Stammzellen hergestellt werden. Das Material, aus dem die Nano-Geräte bestehen, kann rein biologisch sein oder aus nicht-biologischen Materialien wie magnetischen Partikeln und Goldnanostäbchen synthetisiert werden.

Bio-Cyber-Schnittstelle
Solche Schnittstellen wandeln elektrische Signale, die als Befehle von einem Server des Gesundheitsdienstleisters empfangen werden, in biochemische Signale um, die von körpereigenen Nano-Netzwerken verstanden werden und umgekehrt.

Gateway-Geräte
Gateway-Geräte sind beispielsweise Smartphones, Tablets, Laptops oder Minicomputer, die als Relaisgerät zwischen Sensoren und dem Internet fungieren. Sie unterstützen die Mobilität der Patienten und gewährleisten einen effizienten Signalempfang von Technologien mit geringer Reichweite (beispielsweise NFC, RFID, Bluetooth LE).

Medizinischer Server
In einem medizinischen Server werden alle vom Körper des Patienten gesammelten und gesendeten Sensordaten gespeichert, analysiert und verarbeitet. Dieser Server kann als Terminal für die Echtzeit- und kontinuierliche Gesundheitsüberwachung fungieren, wo mögliche Notfallsituationen durch das Senden von Warnmeldungen entschärft werden können.

Programmierbare Zellen bergen auch Risiken

Die Fortschritte in der synthetischen Biologie und der Nanotechnologie haben dazu beigetragen, dass die Struktur von Zellen kontrolliert, wiederverwendet, verändert und neugestaltet werden können. Dadurch lassen sich Zellen effektiv als programmierbare Substrate nutzen, um Bio-Nano-Things beispielsweise als körpereigene Sensor- und Antriebsnetze zu realisieren.

Nanoskalige Geräte können unter anderem in den Bereichen der kontinuierlichen Gesundheitsüberwachung, der gezielten Verabreichung von Arzneimitteln und in der Nanochirurgie viel Nutzen stiften.

Doch Vorsicht: Da IoBNT-Anwendungen Zugriffe auf den menschlichen Körper ermöglichen, sind hinreichende Sicherheitsmaßnahmen erforderlich, um die Konsequenzen eines Cyberangriffs auszuschließen.

(ID:47731719)