Biotech trifft Elektronik Biologische Proben mit Gedächtnis

Die Wissenschaftler am Fraunhofer IBMT haben eine weltweit einzigartige »Bio-Datenbank« geschaffen, die Informationen direkt in der Probe auf einem Chip speichert. Gelagert werden die Proben in flüssigem Stickstoff. Bild: Fraunhofer IBMT

Wissenschaftler am Fraunhofer IBMT lagern mit Speicher-Chips versehene biologische Proben in flüssigem Stickstoff bei Temperaturen bis zu - 196 Grad Celsius. - Wie hält die Elektronik dem Stand? Dafür war die Halbleiter-Expertise von EBV gefragt.

Die Wissenschaftler am Fraunhofer IBMT haben eine weltweit einzigartige »Bio-Datenbank« geschaffen, die Informationen direkt in der Probe auf einem Chip speichert. Damit lassen sich biologische Proben nach einer neuartigen Methode in flüssigem Stickstoff bei –140 °C lagern. Zum Einsatz kommt dieses Verfahren jetzt auch im Lager der Umweltprobenbank des Bundes.

»Die Zusammenarbeit zwischen dem Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik und EBV zeigt, wie die Elektronik auch in Marktsegmente vordringt, die vorher überhaupt nichts mit unserem Fachbereich zu tun hatten«, erklärt Bernd Pfeil, Vice President Sales & Marketing Central Europe von EBV Elektronik. EBV fungierte in diesem Fall also als eine Art Gateway, um die Welt der Biotechnologie und der Elektronik zusammenzubringen.

»Jeder ist auf seine Welt fixiert, aber wir sehen, dass die Technologiebereiche immer mehr zusammenwachsen«, unterstreicht Prof. Dr. Heiko Zimmermann, Institutsleiter des Fraunhofer IBMT. Es gibt auch am Fraunhofer IBMT Kompetenz im Bereich Elektronik, aber keine tiefgehende Halbleiterexpertise – und genau die war in diesem Fall dringend erforderlich: »Eine biologische Probe sollte mit Hilfe geeigneter Halbleiter eine Art eigenes Gedächtnis bekommen und selber wissen, wo sie hingehört«, beschreibt Prof. Zimmermann die Herausforderung. Es muss zudem schon von außen klar ersichtlich sein, wo sich die Probe im Behälter befindet.

Denn das Material unnötigerweise herauszunehmen, könnte die Qualität verfälschen oder die Probe zerstören. Um aus einer Probe ein intelligentes Objekt – ein Smart Disposable – zu machen, sollte künftig jeder Plastik-Probenbehälter mit einem Speicher und einem Prozessor versehen werden. Der Memory Chip ermöglicht es, Proben-relevante Daten bei Temperaturen bis –196 °C zu speichern und auszulesen. Die Prozesse und Analyseergebnisse können genauso gespeichert werden wie jedes andere beliebige Dateiformat. Durch die Integration von Tieftemperatur-tauglichen RFID-Transpondern lässt sich ein Probenbehältnis zu jeder Zeit kabellos im Prozess identifizieren. Weltweit eindeutige IDs lassen sich im Transponderchip unveränderbar speichern. Den Auftrag, eine solche »intelligente« Datenbank zu entwickeln, erhielt das Institut von der Bill & Melinda Gates Foundation aus den USA. Zum Einsatz kommen soll diese Methode dementsprechend nicht nur in der Umweltprobenbank, sondern auch in der Pharmaindustrie. Early Adopter aus der Industrie für das System gibt es bereits.

Für die Umweltprobenbank, die der Hoheit des Bundesumweltministeriums untersteht, ist das Fraunhofer IBMT seit 2012 verantwortlich und hat im Zuge dessen ein neues Lagersystem für biologische Proben entwickelt. Bislang lagerten die Proben in den Räumlichkeiten der Universität Münster in einer großen begehbaren Kühlkammer bei –80 °C. Das neue Kühlsystem verwahrt die Proben in Kryotanks, die mit flüssigem Stickstoff gefüllt sind. Auf diese Weise werden die wertvollen biologischen Informationen auf –140 °C heruntergekühlt und damit jahrzehntelang haltbar gemacht. Jeder dieser Tanks fasst etwa 150 Liter des eiskalten Flüssig-Gemischs. Diese Kryokonservierung beschreibt Prof. Zimmermann als deutlich effizienter als die Lagerung in einem begehbaren Kühlschrank, weil sie für eine konstante Qualität der empfindlichen Proben sorgt und zudem Energie spart. »Biologische Prozesse schreiten unter diesen extremen Temperaturen gar nicht oder nur äußerst langsam voran«, so Zimmermann. Für die empfindlichen Proben ist die Kälte also ein entscheidender Vorteil. Für den Einsatz von Halbleitern dagegen sind Umgebungstemperaturen von –140 °C, und das über dreißig oder vierzig Jahre, ein potenzieller K.O.-Faktor. »Denn diese Temperatur liegt außerhalb jeder Spezifizierung«, so Pfeil.

Selbst für extreme Einsatzbedingungen spezifizierte Bauteile fallen hier also erst einmal aus dem Raster. Außer der extremen Kälte muss der Halbleiter auch mit dem feuchten biologischen Umgebungsmilieu zurechtkommen. Der Preis spielt dagegen eine Nebenrolle. »Nach den vorgegebenen Kriterien haben wir die Vorauswahl möglicher Komponenten übernommen. Die Auswahlmöglichkeiten waren natürlich aufgrund der extremen Bedingungen eingeschränkt«, schildert Pfeil. Und das nicht nur wegen der extremen Randbedingungen: »Ganz entscheidend waren auch Punkte wie Prozess-Traceability und Prozesssicherheit und die langfristig garantierte Verfügbarkeit der Produkte.« Eine Lösung von der Stange gab es also in diesem Fall nicht. Gelöst hat EBV die Herausforderung dennoch in enger Zusammenarbeit mit dem ausgewählten Hersteller. Diesen Hersteller und demzufolge auch die genaue Spezifikation des ausgewählten Chips darf EBV allerdings nicht nennen. Qualifiziert und validiert wurde der Halbleiter vom Fraunhofer-Institut nach eigens entwickelten Testverfahren – wie die Simulation von Temperatur-Stress in flüssigem Stickstoff.  

»Leadership in der Biotechnologie«

Die Proben lassen sich zum Beispiel anhand des Alters, Geschlechts oder bestimmter Bluteigenschaften einfach in der Bio-Bank auswählen: Die benötigten Exemplare werden dann in einem doppelwandigen Behälter – einer Art Thermoskanne – über eine Schleuse aus dem Kryotank herausgeschleust. Bislang wurden die Proben – ähnlich wie beim Hausarzt – einfach manuell mit einem Barcode-Label etikettiert. Warum jetzt also dieses aufwändige Verfahren? »Die bisher praktizierten manuellen Verfahren sind zum einen nicht skalierbar im Produktionsprozess, zum anderen wären Papierlabels unter den Lagerbedingungen mit flüssigem Stickstoff nicht mehr zuverlässig genug gewesen«, erwidert der Institutsleiter. »Die Anwendung zeigt eindrucksvoll, wohin sich die Biotechnologie entwickelt. Sie öffnet die Türen in eine sinnvolle Automatisierung der Probenlagerung. Damit übernehmen wir eine Art Leadership in der Biotechnologie.« Die Entwicklung dieser neuartigen Datenbank ist also in vielerlei Hinsicht richtungsweisend. Auch die Anzahl der biologischen Proben wird laut Prof. Zimmermann weiter zunehmen, denn sie sind das Rückgrat und der Treiber für die Forschung der Pharmaindustrie.