Vier Teams für die Endausscheidung des Preises des Bundespräsidenten für Technik und Innovation nominiert

Am 11. November 2004 verleiht Bundespräsident Horst Köhler in Berlin den Deutschen Zukunftspreis 2004.

Der Chef des Bundespräsidialamtes, Staatssekretär Dr. Michael Jansen, hat heute in Berlin die vier für die Endausscheidung des Deutschen Zukunftspreises 2004 nominierten Teams der Öffentlichkeit vorgestellt. Diese vier Projekte stehen nicht nur für exzellente wissenschaftliche Arbeit, sondern auch für den unternehmerischen Mut, den der Bundespräsident bereits in seiner Antrittsrede als notwendige Grundlage weiterer Entwicklungen in Deutschland gefordert hatte.

„Innovation ist nicht nur ein Thema für Wissenschaft und Wirtschaft, sondern für die ganze Gesellschaft“, so Bundespräsident Horst Köhler. „Unsere Zukunft wird von unserer Fähigkeit zur Erneuerung abhängen. Unser Land braucht neue Ideen und kluge, mutige Köpfe, die diese Ideen nicht nur denken, sondern auch umsetzen. Kreativität gedeiht in einem Umfeld, das aufgeschlossen ist für neue Entwicklungen, das gespannt ist auf Innovationen und Fortschritt vor allem als Chance begreift. Den Erfindergeist der Forscher und Entwickler in unserem Land stärken und gleichzeitig ein öffentliches Bewusstsein dieser vorbildlichen Arbeit schärfen – das ist das Anliegen des Deutschen Zukunftspreises.“

Der Deutsche Zukunftspreis zeichnet einen Einzelnen oder ein Team für eine hervorragende technische, ingenieur- oder naturwissenschaftliche Innovation aus. Deren gesicherte Anwendungsmöglichkeit verbunden mit uneingeschränkter Marktfähigkeit sowie der Schaffung von Arbeitsplätzen sind notwendige Kriterien der prämierten Leistung. Der Deutsche Zukunftspreis wird jährlich vergeben und ist mit 250.000 Euro dotiert.

Die Jury aus Vertretern der Wissenschaft und Wirtschaft entscheidet am 11. November 2004 über die diesjährigen Preisträger; das Ergebnis verkündet der Bundespräsident am Abend den Nominierten und den Gästen der feierlichen Preisverleihung.

Das ZDF berichtet im November über die Nominierungen; eine Sondersendung zur Preisverleihung wird am 12. November nach dem „heute-journal“ gesendet. PHOENIX überträgt am 11. November um 22.30 Uhr eine erste Zusammenfassung der Preisverleihung, eine Ausstrahlung der Veranstaltung ist für den 12. November um 16.15 Uhr geplant.

Für den Deutschen Zukunftspreis 2004 – Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation – wurden folgende Teams und Projekte nominiert:

Dr. rer. nat. habil. Rainer Hintsche (Sprecher)
Dr. rer. nat. Walter Gumbrecht
Dr.-Ing. Roland Thewes
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT), Itzehoe
Siemens AG, Erlangen
Infineon Technologies, München

Labor auf dem Chip – Elektrische Biochiptechnologie

Ein Biochip verbindet aktive Biokomponenten mit Siliziumtechnologie. Mit ihm kann man aus Proben Biomoleküle wie Nukleinsäuren oder Proteine auslesen. Nach dem „Schlüssel-Schloss-Prinzip“ binden auf dem Chip verankerte Biomoleküle – sogenannte Fängermoleküle – zielsicher bestimmte andere Moleküle aus einer Lösung. Damit entsteht ein hochempfindliches Sensorsystem für DNA oder Proteine.

Dr. Hintsche und seinen Partnern ist es nun gelungen, diese biologischen Erkennungsprozesse direkt über elektrische Signale auf dem Chip auszulesen. Mit dieser Innovation wurde die Basis für miniaturisierte, transportable und zugleich robuste Analysesysteme geschaffen. Preiswerte Labordiagnostik und schnelle Vor-Ort-Analysen zum Beispiel zum Auffinden von Giften sind mit dem „Labor auf dem Chip“ ebenso möglich wie die individuelle Kontrolle von Patientenmesswerten.

Die Technologie der Biochips ist bekannt. Das Auslesen der Ergebnisse erfolgt bisher mit einem Lichtstrahl oder anderen optisch-physikalischen Merkmalen und ist technisch aufwendig und kostenintensiv. Dr. Rainer Hintsche vom Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie, Itzehoe, hat in den vergangenen Jahren die wissenschaftlichen und anwendungstechnischen Grundlagen für das Messen der Vorgänge ohne komplizierte Zwischenschritte gelegt. Das Fängermolekül löst, sobald es sein Gegenstück gefunden hat, ein elektrisches Signal aus, das direkt von einer Messelektronik ausgewertet wird.

Dieses Prinzip wurde dann gemeinsam mit Partnern aus der Industrie, mit Dr. Walter Gumbrecht (Siemens AG) und Dr. Roland Thewes (Infineon AG), weiterentwickelt. Das Ziel war, ökonomisch sinnvolle, in Massentechnologie herstellbare Sensorsysteme zu gestalten, die als miniaturisierte Labors eingesetzt werden können. Die wesentliche Voraussetzung für die Realisierung solcher Sensorsysteme ist die Verbindung von Siliziumchiptechnik und Mikrosystemtechnik. Zum „Labor auf dem Chip“ werden diese Chips allerdings erst durch das Aufbringen von Flüssigkeiten und Reagenzien auf die Sensorflächen. Die Innovation besteht somit aus der Kombination von Siliziumtechnologie, miniaturisierter Fluidik und Biotechnologie, die auch durch die Einführung des Werkstoffes Gold in die Halbleitertechnik vorangebracht wurde.

Das Prinzip der elektrischen Biochips kann beispielsweise in der Lebensmittelanalytik, in der Pharmazie und in der Agro- und Umweltanalytik genutzt werden. Ein besonderes Potenzial wird in scheckkartengroßen Kontroll- und Diagnoseanwendungen gesehen, die personalisierte Analysen von individuellen Patientenparametern für jedermann erlauben.

Dipl.-Ing. Horst Joachim Lindner (Sprecher)
Prof. Dr.-Ing. habil. Hans Wilhelm Bergmann
Dipl.-Phys. Robert Queitsch
AUDI AG, Ingolstadt
Universität Bayreuth
ATZ Entwicklungszentrum, Amberg

Verschleiß- und ölverbrauchsarme Verbrennungsmotoren durch Werkstoffmodifikation von Zylinderlaufbahnen mit dem UV-Laser

Bei Verbrennungsmotoren wird der Antrieb erzeugt, indem in den Zylindern die chemische Energie des Kraftstoffs in mechanische Leistung umgewandelt wird. Leistung und Verbrauch hängen wesentlich von der Struktur der Zylinderoberfläche ab, die als Gleitfläche für Kolbenringe und Kolben dient und gleichzeitig den Brennraum zum Kurbelraum des Motors abdichtet.

Durch Werkstoffmodifikation der Zylinderlaufbahnen und die Erzeugung von nanokristallinen superelastischen Gefügestrukturen ist es dem Team Lindner, Bergmann und Queitsch gelungen, deutliche Verminderungen im Ölverbrauch – und damit umweltschädlicher Emissionen – sowie beim Verschleiß der Motoren zu erzielen.

Ein wesentliches Ziel der Entwicklung im Automobilbau ist die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Erzielt werden kann sie durch höhere Verbrennungsdrücke im Kolben. Damit ist allerdings eine stärkere mechanische Belastung der Zylinderlaufbahnen und der Kolbenringe verbunden. Auf diese Zylinderlaufbahnen wurde bisher durch Honen, also durch eine bestimmte Bohrtechnik, eine Kreuzriefenstruktur aufgebracht, die der Ölhaltung dient. Diese Riefenstruktur bedingt ein erhebliches Ölhaltevolumen, das sich in der sogenannten Einfahrphase zudem verstärkt. Ein hoher Ölverbrauch heißt aber auch, dass eine beträchtliche Menge unverbrannter Kohlenwasserstoffe in das Abgas gelangt. Außerdem bilden sich durch das Honen auf der Oberfläche Materialverschiebungen und -aufwürfe, die ein unbefriedigendes hydrodynamisches Tragverhalten der Kolbenringe bewirken und den Verschleiß erhöhen. Auch der Versuch einer Laserstrukturierung der Zylinderlaufbahnen war bis dahin nicht zielführend.

Die Innovation des Teams beruht nun auf der UV-Laserbelichtung der Grauguss-Zylinderlaufbahnen, die großflächig im Laufbereich der Kolbenringe erfolgt. Das Auftreffen der Laserpulse verdampft Material. Die im Grauguss enthaltenen Graphitausscheidungen werden geöffnet und bilden eine mikrohydrodynamische Oberflächenstruktur. Gleichzeitig wird die Oberfläche angeschmolzen, und durch die Entstehung eines Atmosphärenplasmas werden 16 bis 18% Stickstoff in die Schmelzschicht der Oberfläche eingetragen. Diese erstarrt schlagartig zu einer nanokristallinen Gefügestruktur. Der Stickstoff und die nanokristalline Gefügestruktur verbessern die Verschleißfestigkeit der Zylinderlaufbahn erheblich. Im Laufbetrieb erfahren diese Strukturen eine weitere Umwandlung in ein extrem feines Gefüge mit superplastischen Eigenschaften. Damit ist eine stärkere mechanische Belastung möglich.

Die Verschleißreduzierung von Zylinderlaufbahnen und Kolbenringen bei UV-Laser-belichteten Zylinderlaufbahnen beträgt 23 bis 89% bei den Laufbahnen und 30 bis 80% bei den Kolbenringen. Die Reduzierung des Ölverbrauchs liegt bei 11 bis 41 Gramm pro Stunde Laufzeit. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Ölverbrauch während der Einfahrphase nicht mehr ansteigt.

Die Technologie der UV-Laserbelichtung von Zylinderlaufbahnen ist heute Bestandteil der Serienproduktion von Dieselmotoren der AUDI AG und kann auch bei sonstigen Maschinenbauteilen aus Grauguss oder Stahlwerkstoffen eingesetzt werden, die einer hohen mechanischen Beanspruchung und damit hohem Verschleiß unterliegen.

Dr. rer. nat. Dipl.-Phys. Ulrich Simon (Sprecher)
Dipl.-Phys. Ralf Wolleschensky
Dr. rer. nat. Bernhard Zimmermann
Carl Zeiss Jena GmbH, Jena

Konfokales Laser Scanning Mikroskop LSM 510 META

Die biomedizinische Forschung bedient sich zur Erkennung zellulärer Strukturen der Laser-Mikroskopie. Diese macht Strukturen und Bewegungsvorgänge in den Zellen mit hoher räumlicher Genauigkeit sichtbar. Aus den Bildern lassen sich wiederum Funktionen und auch Fehlfunktionen erkennen und damit Entwicklungsstörungen oder zum Beispiel Tumore erkennen. Zur Markierung der Objekte wird eine Fluoreszenztechnik genutzt, die Bestandteile der Proben mit Farbstoffen markiert, die dann – durch das Laserlicht angeregt – Licht aussenden und damit sichtbar werden. Mit den dazu genutzten fluoreszierenden Proteinen kann man zwar Eiweißmoleküle fast jeglicher Art markieren, die sich im Farbspektrum überlappenden Farben lassen jedoch keine genaue Unterscheidung der gefärbten Präparate im Mikroskop mehr zu.

Die Innovation des Jenaer Teams um Dr. Simon ist ein neuartiges Detektionsverfahren, das es erstmals ermöglicht, Mehrfachfluoreszenzuntersuchungen trotz farblicher Überlappungen durchzuführen. Damit gelingt es, viele markierte Zell- und Gewebebestandteile simultan zu untersuchen, sie problemlos und exakt zuzuordnen und dynamische Wechselbeziehungen in lebenden Zellen eindeutig zu verfolgen.

Die neue Technologie verbindet ein neuartiges Detektionsverfahren mit einer mathematischen Analysemethode. Ein optisches Gitter spaltet zunächst das Fluoreszenzlicht der Proben in seine Farbkomponenten auf, die dann auf einem Mehrkanaldetektor abgebildet werden. Dieser misst die exakte Farbverteilung des Fluoreszenzlichts an jedem Bildpunkt. Damit wird es möglich, aus bis zu 32 Detektorsignalen die spektrale Intensitätsverteilung jedes Probenpunktes zu bestimmen. Sind dann an einem Probenpunkt mehrere Farbstoffe gebunden, repräsentiert das Spektrum die Überlagerung der Einzelfarben. Diese Signale werden mit einem mathematischen Verfahren getrennt. Digitale Entfaltungslogarithmen extrahieren aus den Überlagerungsspektren die den einzelnen Farbstoffen zuzuordnenden Anteile und stellen diese mit Falschfarben dar. Es wird somit ein Bild mit unterschiedlich gefärbten Strukturen deutlich sichtbar.

Das Gitter und der Multikanaldetektor ersetzen nicht nur die bisherigen Systeme aus optischen Filtern und Einzeldetektoren. Das Ergebnis des neuen Detektionsverfahrens kann als 3D-Farbbild auf dem Monitor abgebildet werden; dabei erfolgt die Visualisierung mit Videofrequenz.

Die neue Technologie ist im LSM 510 META der Carl Zeiss Jena GmbH als Produkt umgesetzt. Mit dem innovativen Verfahren können bis zu acht Farbstoffe simultan berechnet und zugeordnet werden, ohne dass falsche Ergebnisse befürchtet werden müssen. Damit eröffnen sich neue Anwendungsansätze in der biomedizinischen Grundlagenforschung und zudem eine erhebliche Effizienz- und Geschwindigkeitssteigerung bei der Probenanalyse.

Prof. Dr. rer. nat. Dipl.-Ing. Arne Skerra (Sprecher)
Dr. rer. nat. Dipl.-Chem. Martin Pöhlchen
Dr. rer. nat. Dipl.-Ing. Steffen Schlehuber
Technische Universität München, Freising-Weihenstephan
PIERIS Proteolab AG, Freising

ANTICALIN®e – Biopharmazeutische Wirkstoffe durch Protein-Design

Antikörper – Eiweißstoffe des Immunsystems – gelten bisher als universelle biochemische Werkzeuge zur Erkennung, Bindung und Markierung molekularer oder zellulärer Strukturen. Antikörper haben eine komplizierte Molekülstruktur. Sie bestehen aus insgesamt vier Eiweißketten und können auch aufgrund ihrer sperrigen Dimensionen Zellzwischenräume nur bedingt durchdringen. Somit weisen Antikörper nicht nur in der Anwendung Beschränkungen auf, sie sind auch relativ aufwendig herzustellen.

Dem Team um Prof. Dr. Skerra ist es gelungen, das Wirkprinzip der Antikörper auf ein anderes Proteinstrukturgerüst zu übertragen. Ihre Innovation beruht auf dem Protein-Design einer bisher wenig beachteten Familie von Biomolekülen, der Lipocaline. Ausgehend von den Lipocalinen, schufen sie eine neue Art ligandenbindender Proteine, also Proteine, die Moleküle an sich binden. Diese als ANTICALINE bezeichneten Wirkstoffe sind eine nutzbare Alternative zu Antikörpern und eröffnen vielversprechende Einsatzmöglichkeiten.

ANTICALINE bestehen aus einer Polypeptidkette. Sie sind einfacher aufgebaut und kleiner als Antikörper; ihre Produktion erfolgt mit Hilfe von einfach zu züchtenden Mikroorganismen. Der unkomplizierte Aufbau der ANTICALINE erlaubt auch deren Koppelung mit anderen Proteinen, was zur zusätzlichen Bindung von Zielstrukturen genutzt werden kann. Somit kann man ANTICALINE auch mit enzymatischen Eigenschaften oder einer bestimmten Verweildauer im Körper ausstatten. ANTICALINE haben grundsätzlich dieselben Anwendungszwecke wie die Antikörper.

Mit ANTICALINEN kann man z. B. Giftstoffe oder andere niedermolekulare Substanzen neutralisieren und ihre Ausscheidung aus dem Körper fördern. Sie werden zudem als sogenannte Antagonisten eingesetzt. Dazu bindet man sie an Rezeptoren auf der Zelloberfläche an, so dass der Wechselwirkungspartner des Rezeptors keine Signale mehr auslösen kann. Dadurch lassen sich gezielt bestimmte Zelltypen, beispielsweise im Immunsystem, aktiveren oder deaktivieren. Eine besondere Wirkung erwartet man sich jedoch von der Fähigkeit der ANTICALINE, die Oberflächenstruktur von Tumorzellen zu erkennen und gezielt Zellgifte zu dem Tumor zu lenken.

Die Entwicklung wird inzwischen durch ein Start-up-Unternehmen, die PIERIS Proteolab AG, vermarktet. Als vorrangiges Einsatzgebiet der ANTICALINE – neben dem als Forschungsreagenz für die Bioanalytik – wird die therapeutische Nutzung im Bereich der Herz-Kreislauf- und der Tumor-Erkrankungen gesehen. Die Entwicklung marktreifer Medikamente beansprucht allerdings noch einige Zeit.