Forschung Schweiz

Erweiterung des Stiftungsrates

Die Stiftung Gen Suisse freut sich über die Aufnahme von Nationalrätin Katja Christ und Nationalrat Jörg Mäder in den Stiftungsrat. Die beiden GLP-Parlamentatrier werden Gen Suisse in Zukunft im Bereich Fortpflanungsmedizin und künstliche Intelligenz im Gesundheitsbereich unterstützen. Der Präsident, Prof. Dr. Lukas Sommer, und die Geschäftsführerin, Dr. Daniela Suter, freuen sich auf die Zusammenarbeit und bedanken sich für das Engagement der beiden Neumitglieder.

CRISPR Cas System als neue Technologie zum Testen auf Coronavirus

Durch das Schätzen der Anzahl von Viruspartikeln in Proben könnte eine neue Technologie den Fortschritt einer COVID-19-Infektion bestimmen. Dies geht aus einem neulich durchgeführten Forschungsexperiment hervor. Der neue Test verwendet also eine neue Technologie namens CRISPR. Nach Ansicht der Forscher kann so die RNA oder das genetische Material von SARS-CoV-2 zuverlässig nachgewiesen werden, ohne es zuvor zu amplifizieren.

Das Ergebnis aus dem Experiment bedeutet, dass nicht nur das Vorhandensein des Virus nachgewiesen, sondern auch die Anzahl der Viruspartikel geschätzt werden kann. Darüber hinaus kann dies ein guter Indikator für den Infektionsfortschritt sein. Die Schöpfer von CRISPR, mit der Wissenschaftler hauptsächlich Gene bearbeiten, erhielten den Nobelpreis für Chemie im 2020. Angesichts des COVID-19-Ausbruchs konzentrierten sich die Forscher also darauf, einen Test für SARS-CoV-2 durch dieselbe neue Technologie zu entwickeln. Ihr Gerät, das nicht größer als ein Schuhkarton ist, verwendet eine CRISPR-Variante namens CRISPR-Cas13a. Cas13a ist ein Enzym, das RNA-Moleküle spaltet. Durch die Kombination mit einem Streifen „Leit-RNA“ können Wissenschaftler auf eine verräterische Sequenz in der RNA eines bestimmten Virus zielen. Die Forscher verwenden also mehrere Leit-RNAs, die an verschiedene Teile der viralen RNA binden. So kann sich die Genauigkeit des Tests deutlich erhöhen. Die Bindung an Zielsequenzen aktiviert das Enzym, das dann alle RNA-Moleküle in seiner Nähe aufspaltet.

Durch das Schätzen der Anzahl von Viruspartikeln in Proben könnte eine neue Technologie den Fortschritt einer COVID-19-Infektion bestimmen. Dies geht aus einem neulich durchgeführten Forschungsexperiment hervor. Der neue Test verwendet also eine neue Technologie namens CRISPR. Nach Ansicht der Forscher kann so die RNA oder das genetische Material von SARS-CoV-2 zuverlässig nachgewiesen werden, ohne es zuvor zu amplifizieren.

CRISPR Cas System als neue Technologie zum Testen auf Coronavirus

[junge frau macht selfie mit ihrem handy zur identifikation von viruspartikeln bei covid 19]
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Das Ergebnis aus dem Experiment bedeutet, dass nicht nur das Vorhandensein des Virus nachgewiesen, sondern auch die Anzahl der Viruspartikel geschätzt werden kann. Darüber hinaus kann dies ein guter Indikator für den Infektionsfortschritt sein. Die Schöpfer von CRISPR, mit der Wissenschaftler hauptsächlich Gene bearbeiten, erhielten den Nobelpreis für Chemie im 2020. Angesichts des COVID-19-Ausbruchs konzentrierten sich die Forscher also darauf, einen Test für SARS-CoV-2 durch dieselbe neue Technologie zu entwickeln. Ihr Gerät, das nicht größer als ein Schuhkarton ist, verwendet eine CRISPR-Variante namens CRISPR-Cas13a. Cas13a ist ein Enzym, das RNA-Moleküle spaltet. Durch die Kombination mit einem Streifen „Leit-RNA“ können Wissenschaftler auf eine verräterische Sequenz in der RNA eines bestimmten Virus zielen. Die Forscher verwenden also mehrere Leit-RNAs, die an verschiedene Teile der viralen RNA binden. So kann sich die Genauigkeit des Tests deutlich erhöhen. Die Bindung an Zielsequenzen aktiviert das Enzym, das dann alle RNA-Moleküle in seiner Nähe aufspaltet.

Um so ein sichtbares Signal zu liefern, dass Cas13a seine Zielsequenz erkannt hat, fügten die Forscher der Mischung eine RNA-basierte Sonde hinzu. Die Sonde emittiert fluoreszierendes Licht, wenn das aktivierte Enzym es spaltet. Der Detektor umfasst einen Laser zum Beleuchten der Probe und eine Linse zum Fokussieren des erzeugten fluoreszierenden Lichts. Die Kamera des Telefons, die über dem Objektiv positioniert ist, registriert so die Intensität des emittierten Lichts. Unter Verwendung von Proben von SARS-CoV-2-RNA unterschiedlicher Konzentrationen zeigten die Forscher, dass das Gerät innerhalb von 30 Minuten Konzentrationen von nur 100 Viruspartikeln pro Mikroliter messen konnte. Das Gerät benötigte nur 5 Minuten, um Patientenabstriche zu identifizieren, die das Team mit SARS-CoV-2-RNA versetzt hatte. Die Studienergebnisse zeigen also, dass die Messung von Viruspartikeln mit massenproduzierter Unterhaltungselektronik zuverlässig und erschwinglich durchgeführt werden könnte. Bisherige Forschungen legen außerdem auch nahe, dass die Kamera eines normalen Mobiltelefons besonders gut als molekularer Detektor funktioniert.

Die Forscher hoffen nun also, ein erschwingliches, tragbares Gerät zu entwickeln, mit dem Apotheken und Kliniken schnelle und genaue Tests auf SARS-CoV-2 durchführen können. Dieses wird wahrscheinlich eine eingebaute Handykamera haben. Letztendlich träumen sie davon, so ein Gerät für den Heimgebrauch zu entwickeln. Dieses soll nicht nur SARS-CoV-2, sondern auch andere Viren wie Erkältungen und Influenzavirus erkennen können. Grundsätzlich ist es möglich, jedes Gerät, das dieselbe neue Technologie enthält, anzupassen, um Viren zu erkennen. In Zukunft könnte der in dieser Studie beschriebene direkte Nachweis durch Cas13a schnell geändert werden. Auf diese Weise kann auf den nächsten auftretenden Erreger der Atemwege rechtzeitig abgezielt werden, um eine globale Ausbreitung einzudämmen, so die Studienautoren.


Magnetische Bakterien als Mikropumpen

ETH-​Wissenschaftler nutzen magnetische Bakterien, um auf der Mikroebene Flüssigkeiten zu beeinflussen. Sie denken bereits an einen Einsatz in der menschlichen Blutbahn, um damit Krebsmedikamente präzise zu einem Tumor zu bringen.

Krebsmedikamente haben Nebenwirkungen. Deshalb verfolgen Wissenschaftler schon seit Jahren Ansätze, wie die Wirkstoffe im Körper möglichst präzise zu einem Tumor transportiert werden können. Die Medikamente sollen nur dort ihre Wirkung entfalten. Ein Ansatz ist, sie in die Blutbahn zu injizieren und ihren Transport in den feinen Blutgefässen von Tumoren mit winzigen Vehikeln zu steuern. So existieren in Forschungslabors Mikroroboter, die in Form und Antrieb von Bakterien inspiriert und klein genug sind, um sie in Blutgefässe einbringen zu können. Diese Mikrovehikel lassen sich von ausserhalb des Körpers über ein sich bewegendes Magnetfeld antreiben.

Simone Schürle, Professorin am Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie, geht nun einen Schritt weiter: Statt von Bakterien inspirierte Mikroroboter möchte sie echte Bakterien, die natürlicherweise magnetisch sind, verwenden. Forschende haben solche magnetotaktische Bakterien vor 45 Jahren im Meer entdeckt. Die Mikroorganismen nehmen das im Wasser gelöste Eisen auf. In ihrem Innern bilden sich Eisenoxid-​Kristalle, die sich in einer Reihe anordnen. Wie eine Kompassnadel richten sich diese Bakterien am Erdmagnetfeld aus, um so im Gewässer navigieren zu können.

Mit Magnetfeldern punktgenau steuern

ETH-​Professorin Schürle untersuchte mit ihrem Team, wie sich diese Bakterien im Labor ebenfalls über ein Magnetfeld steuern lassen, womit man den Fluss von Flüssigkeiten kontrolliert beeinflussen kann. In den Experimenten reichten bereits verhältnismässig schwache rotierende Magnetfelder, um die Bakterien zu steuern. Mit den rotierenden Feldern konnten die Wissenschaftler die Bakterien um ihre eigene Achse drehen lassen. Und mit vielen Bakterien in einem Schwarm war es möglich, die sie umgebende Flüssigkeit zu bewegen. Die Bakterien erzeugen einen ähnlichen Effekt wie eine Mikropumpe und können so in der Flüssigkeit vorhandene Wirkstoffe in verschiedene Richtungen bewegen, wie zum Beispiel aus der Blutbahn heraus ins Tumorgewebe. Durch die Verwendung von sich überlagernden Magnetfeldern, die sich örtlich gegenseitig verstärken, beziehungsweise auslöschen, kann man diese Pumpaktivität auf eine kleine Region punktgenau reduzieren, wie das Team um Schürle in Simulationen zeigen konnte.

Zudem kann das Prinzip ausserhalb des Körpers genutzt werden, um in kleinsten Gefässen verschiedene Flüssigkeiten lokal miteinander zu mischen, ohne mechanische Mikropumpen fabrizieren und steuern zu müssen.

Tot oder lebend

In ihrer Arbeit ist es vor allem darum gegangen, den Ansatz zu erforschen und zu beschreiben, auf welche Weise die Bakterien den Fluss steuern können. Bevor solche Bakterien im menschlichen Körper angewandt werden können, muss erst noch deren Sicherheit untersucht werden. Bakterien aus medizinischen Gründen in den Körper zu bringen, ist allerdings ein Ansatz, den die Wissenschaft unter dem Begriff «Living Therapeutics» bereits verfolgt, wenn auch mit anderen Bakterienarten, wie zum Beispiel Kolibakterien.

Denkbar ist zudem, für eine künftige medizinische Anwendung andere als natürliche Bakterien zu verwenden. Mittels synthetischer Biologie lassen sich Bakterien mit optimalen funktionellen Eigenschaften konstruieren, die im menschlichen Körper auch sicher sind und zum Beispiel keine allergischen Reaktionen auslösen. Schürle kann sich sowohl den Einsatz von Bakterien vorstellen, die abgetötet werden, bevor sie in den Körper eingebracht werden, als auch von lebenden Bakterien.

Eigener Antrieb für Feinsteuerung

Seit mehreren Jahrzehnten ist ausserdem bekannt, dass sich bestimmte Bakterien, die ohne Sauerstoff auskommen, in Krebspatienten bevorzugt im sauerstoffarmen Gewebe von Tumoren anreichern. Untersucht wurde das in anderen Bakterien als den von Schürles Team verwendeten. Mittels synthetischer Biologie könnten die Vorzüge mehrerer Bakterienarten vereint werden. So könnten Bakterien entstehen, die sich dank einem eigenen Antrieb mit Flagellen (Geisseln) dem Tumor annähern und die man mit magnetischen Kräften von aussen gezielt tief ins Tumorgewebe befördern kann.


Exponentielles Wachstum begreifen

Die meisten Menschen unterschätzen exponentielle Entwicklungen – auch bei Corona. Je nachdem, wie sie dargestellt werden, kann man sich rasante Entwicklungen mehr oder weniger gut vorstellen. Die richtige Kommunikation hilft in einer Pandemie, die Akzeptanz der Massnahmen zu erhöhen.

Der Ausbruch der Corona-​Pandemie war für viele auch ein Crash-​Kurs in Statistik. Begriffe wie Verdoppelungszeit, logarithmische Achsen, R-​Faktor, rollende Durchschnitte und Übersterblichkeit sind inzwischen in aller Munde. Doch mathematische Funktionen zu kennen, bedeutet noch lange nicht, dass man sich die damit beschriebenen Vorgänge in der Realität und in ihrem vollen Ausmass vorstellen kann.

Viel Mühe bekunden die Menschen mit dem exponentiellen Wachstum. Im alten Indien erzählte man sich dazu die Geschichte vom Kaiser, der von einem Höfling genarrt wurde. Dieser sprach zu ihm: «Nichts weiter will ich, edler Gebieter, als dass Ihr das Schachbrett mit Reis auffüllen möget. Legt ein Reiskorn auf das erste Feld, und dann auf jedes weitere Feld stets die doppelte Anzahl an Körnern.»

Mit wie viel Reis der Kaiser rechnete, als er sich auf den Handel einliess, ist nicht bekannt. Er hat aber mit grosser Wahrscheinlichkeit die exponentielle Zunahme auf den 64 Feldern des Schachbretts unterschätzt. Denn am Ende schuldete er dem Höfling nicht weniger als 18 Trillionen, 446 Billiarden, 744 Billionen, 73 Milliarden, 709 Millionen, 551 Tausend und 615 Reiskörner, was ungefähr 11 Milliarden Eisenbahnwagen voll Reis entspricht.

Das systematische Unterschätzen des exponentiellen Wachstums kann in einer Pandemie verheerende Auswirkungen haben. Denn wenn die Menschen das Tempo einer Ausbreitung verkennen, nehmen sie eindämmende Massnahmen wie Masken-​Tragen, Abstandsregeln oder die Schliessung von Lokalen als übertrieben wahr und beachten sie weniger.

Hier setzt eine Forschungsarbeit an, die am Center for Law and Economics der ETH Zürich und an der Hochschule Luzern (HSLU) erstellt und im Wissenschaftsjournal «Plos One» veröffentlicht worden ist. Martin Schonger, Dozent und Studiengangleiter an der HSLU sowie Research Fellow an der ETH, und Daniela Sele, Doktorandin an der ETH, wollten wissen, ob die Art und Weise, wie die exponentielle Ausbreitung eines Virus dargestellt wird, die systematische Unterschätzung beeinflusst.

Aus anderen Experimenten wussten sie bereits, dass Menschen exponentielles Wachstum selbst dann unterschätzen, wenn ihnen bekannt ist, dass Menschen ebendieses Problem haben. Es bringt daher wenig, Menschen über ihren «exponential growth bias» aufzuklären, wie die Wissenschaft heute das Schachbrett-​Problem des indischen Kaisers nennt. Die Informierten liegen mit ihren Schätzungen ebenso daneben wie die anderen.


Neues Zentrum für KI-Forschung

Die ETH Zürich eröffnet ein neues Forschungszentrum für künstliche Intelligenz. Ein Kernteam von zunächst 29 Professuren, ein neuer Geschäftsführer und ein Fellowship-​Programm sollen die interdisziplinäre Erforschung dieser Schlüsseltechnologie weiter voranbringen.

Warum KI eine wichtige Technologie für die ganze Gesellschaft ist, zeigt folgendes Beispiel: Gelbsucht ist eine der meistverbreiteten Krankheiten bei Neugeborenen. Rund 60 Prozent zeigen Symptome. Bei etwa 10 Prozent der betroffenen Kinder verläuft die Krankheit kritisch und ohne Behandlung drohen Behinderungen mit lebenslangen Konsequenzen. Die Diagnose der Krankheit ist einfach und mit einer Lichttherapie ist sie therapierbar. Doch immer kürzere Spitalaufhalte können dazu führen, dass die Symptome erst auftreten, wenn die Eltern schon zu Hause sind.

Forschenden der ETH Zürich ist es gelungen, mit Hilfe eines neuen KI-​Modells eine App zu entwickeln, welche die Erkrankung eines Babys anhand von lediglich vier Indikatoren schon 48 Stunden bevor die ersten Symptome auftreten vorhersagen kann. «Diese App entstand in enger Zusammenarbeit von KI-​Forschenden und Medizinern», erklärt Julia Vogt, Professorin für Medizinische Datenwissenschaft. Interdisziplinäre Kooperationen sind beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Denkmuster und fehlender gegenseitiger Fachkenntnisse eine grosse Herausforderung. Mit der Eröffnung des «ETH AI Centers» – einem ETH-​weiten Zentrum für die KI-​Forschung – schafft die ETH Zürich Raum und Ressourcen, um die KI-​Forschung in Grundlagen, Anwendungen und Auswirkungen zu intensivieren.

«Das ETH AI Center intensiviert den interdisziplinären Dialog mit Wirtschaft, Politik und Gesellschaft über eine innovative und vertrauensfördernde Weiterentwicklung der künstlichen Intelligenz», sagt Detlef Günther, Vizepräsident Forschung an der ETH Zürich. Ausserdem soll das Zentrum zu einem Inkubator für KI-​Start-ups werden und in einem Open-​Lab gemeinsame Forschungsprojekte mit internationalen Expertinnen und Experten ermöglichen. Es wird dazu auch Teil des europäischen AI-​Forschungsnetzwerks ELLIS werden.

Neue Räume, neue Leitung

Das Zentrum hat bereits Räumlichkeiten im Hochschulquartier bezogen, später werden im Andreasturm in Oerlikon neue Büroflächen und Laborräume zur Verfügung stehen. Als Executive Director konnte PD Dr. Alexander Ilic gewonnen werden, der zuletzt als Unternehmer und Geschäftsführer von Magic Leap Schweiz gearbeitet hat. «Es freut mich sehr, dass wir mit Alexander Ilic einen ausgewiesenen KI-​Experten für diese Aufgabe gewinnen konnten. Er ist ein erfolgreicher KI-​Unternehmer, kennt die akademische Welt und ist in der KI-​Szene bestens vernetzt», sagt Andreas Krause, Professor am Institut für maschinelles Lernen und Vorsteher des «ETH AI Centers».

Über 29 Professuren im Kernteam

Das neue Forschungszentrum setzt sich aus Kernmitgliedern, assoziierten Mitgliedern und den AI-​Fellows zusammen. Zu den Kernmitgliedern gehören bereits zu Beginn über 29 Professorinnen und Professoren aus sieben Departementen, die sich mit grundlegenden KI-​Themen wie maschinellem Lernen oder Bild-​ und Sprachverstehen befassen. Diese betreuen auch die neuen Fellows des «ETH AI Centers», also Top AI-​Talente, die weltweit rekrutiert und mit einem Stipendium gefördert werden. «Wir bilden so Expertinnen und Experten aus, die in der Lage sind, interdisziplinäre KI-​Projekte umzusetzen», so Günther. Das ETH AI Center wird zudem die Verbindung zu assoziierten Mitgliedern pflegen, die aus allen Departementen der ETH, von anderen Institutionen und aus der Privatwirtschaft ins Zentrum kommen, um gemeinsame Forschungsprojekte umzusetzen.

Künstliche Intelligenz nach ethischen Grundsätzen

Die Forschenden des «ETH AI Centers» wollen Werkzeuge entwickeln, die Menschen in verschiedenen Bereichen dabei unterstützen, komplexe Aufgaben effizient zu lösen. Dabei ist es essenziell, dass die angewendeten KI-​Modelle zuverlässig funktionieren und ihre Ergebnisse robust, erklärbar und fair sind. «Zuverlässigkeit und Nachvollziehbarkeit sind für die KI-​Forschung essenziell», erklärt Andreas Krause. «Sie betreffen hochrelevante Fragen zu den gesellschaftlichen Auswirkungen und der Ethik von KI.» Gerade in Forschungsgebieten wie Gesundheit, Mobilität, Architektur, Energie oder Klima, in denen die ETH Zürich bestens positioniert ist, helfen vertrauenswürdige KI-​Lösungen dabei, die Akzeptanz dieser Technologien in der Bevölkerung zu erhöhen. «Eine breite Akzeptanz ist ein entscheidender Wettbewerbsvorteil», ist Krause überzeugt. 


Archiv

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Synthetische Phagen mit programmierbarer Spezifität
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Verblassende Petunien
Oktober 2019
ERC Synergy Grant for viral infection and cellular regulation research