Andreas Manz gilt als einer der Pioniere im Bereich der Mikrofluidik und ist gegenwärtig Forscher am Korea Institute of Science and Technology in Saarbrücken (KIST Europe) und Professor an der Universität des Saarlandes.
In unserem Interview erläutert der erfolgreiche Wissenschaftler, mit welcher Motivation er forscht und wie es ist, vom Europäischen Patentamt für sein Lebenswerk ausgezeichnet zu werden.
Sie werden als Pionier der Mikrofluidik bezeichnet. Wie kam es, dass Sie angefangen haben, auf einem völlig neuen Feld zu forschen?
Andreas Manz*: Schon als Kind interessierten mich die kleinen Dinge sehr. Meist waren das Steine, Insekten oder Käfer, die ich heimgetragen habe. Das Interesse am Kleinen blieb, so dass ich schliesslich an der ETH Zürich Chemie studierte. In meiner Doktorarbeit beleuchtete ich das Naturgesetz der Diffusion von Molekülen. Wenn man zwei Moleküle in ein sehr kleines Volumen einsperrt – ähnlich wie zwei Vögel in den Käfig –, dann können sie nicht weg und finden sich schneller. Diese Beschleunigung hat mich sofort fasziniert. Schon mein Professor Willy Simon, ein Experte in chemischen Sensoren und Chromatographie, erzählte in seinen Vorlesungen, dass Prozesse bei einer Verkleinerung auch sehr schnell werden können. Das hat mich sofort fasziniert.
Bisher sprechen Sie aber von reiner Chemie – wann entstand die Idee, Chips einzusetzen?
Ich konnte ab 1987 in Japan bei der Firma Hitachi arbeiten. Dort kam ich zum ersten Mal mit der Chip-Technologie in Berührung. Selbst gehörte ich zur Forschungsabteilung, sah aber immer wieder Kollegen in Reinräumen verschwinden und mit kleinen Chips zurückkommen. Das inspirierte mich und ich überlegte, ob man nicht anstelle von Elektronik auch Chemie auf diese Chips packen könnte. Schliesslich wird auch im Inneren eines noch so kleinen Insekts Flüssigkeit transportiert, also müsste das doch auch auf einem kleinen Chip funktionieren. Bei Hitachi durfte ich schliesslich zu Testzwecken meinen ersten Mikrofluidik-Chip herstellen lassen.
Von Japan führte der Weg dann zu Ciba-Geigy in Basel. Was gab den Ausschlag dazu?
Michael Widmer war damals Leiter der Forschung Analytik bei der Ciba-Geigy in Basel. Dieser geniale Mann hat mich sofort fasziniert: Er hatte den Weitblick, dass man auch verrückte Dinge in die Forschung integrieren und nicht nur auf den kurzfristigen finanziellen Erfolg schauen sollte. Die Industrie sollte es sich leisten, auf Qualität zu setzen und auch in der Forschung eines Konzerns neue Methoden zu entwickeln oder zu fördern, wenn sie dem Unternehmen von Nutzen sein könnten. Professor Widmer holte mich also nach Basel, wo ich laut seinen Aussagen „die ganze Chemie“ auf den Chip bringen sollte. Zwar wusste Michael Widmer noch nicht, was ihn erwartete, aber er hatte ein Gefühl dafür, dass es sich lohnen könnte.
Wie gingen Sie vor?
Damals waren Chips für die Pharmawelt sehr neu und nicht unbedingt passend. Auch Ciba Geigy war nicht von Beginn an begeistert von der neuen Anwendung. Das Interesse, an bestehenden, funktionierenden Technologien und Prozessen etwas zu ändern, war nicht so gross. Im Rahmen meiner Forschung konnte ich aber ausprobieren, was möglich wäre. Ich fand heraus, dass zum Beispiel die Elektrophorese – eine Methode, mit der man Moleküle trennt – funktionieren könnte. Man konnte diese Methode relativ einfach miniaturisieren und prüfen, ob dadurch auch die Schnelligkeit des Prozesses steigt. Und die Resultate waren sehr gut: Wir konnten zeigen, dass der Prozess bei 10-facher Verkleinerung der Elektrophorese 100-mal schneller wird, ohne an Informationsqualität einzubüssen. Diese Erkenntnis war für die klinische Diagnostik oder der Drug Discovery für die Suche nach wirksamen Molekülen sehr hilfreich. Gleichzeitig testeten wir auch verschiedene Chip-Arten, die wir von den unterschiedlichsten Herstellern bezogen.
Wann kam der Schritt an die Öffentlichkeit mit der neuen Technologie?
An der ILMAC in Basel 1996 hat Michael Widmer eine Konferenz im Bereich der Mikrofluidik organisiert – die schlug ein wie eine Bombe. Wir hatten diesen Effekt ein stückweit geplant, denn im Vorfeld haben wir bereits gezielt Forscher eingeladen und ihnen unsere Arbeit gezeigt. Dies führte dazu, dass ein kleiner Hype entstand und wir schliesslich an der Konferenz Forscher aus Kanada, den USA, den Niederlanden, Japan und anderen Ländern aufbieten konnten, welche die neue Technologie der Mikrofluidik vorstellten.
Die Aufmerksamkeit war da, dennoch beendete Ciba-Geigy später die Forschung auf diesem Gebiet. Weshalb?
Im Grunde fehlten uns innerhalb der Firma die Interessengruppen oder eine konkrete Produktanbindung. Unsere Forschung war etwas zu technisch und ihrer Zeit weit voraus und man hat innerhalb von Ciba-Geigy einfach das Potential der Technologie noch nicht auswerten können. Zudem haben wir uns auch keine konkreten Überlegungen zu Anwendungen gemacht, uns ging es eher um die Technologie und um Experimente als um die kommerzielle Nutzung. Als dann noch in einem Magazin ein grosses Bild von mir zu einem Bericht über die Mikrofluidik erschien und die Zeitschrift in Eigenregie darauf hinwies, dass Ciba-Geigy sie ungenügend umsetze, stoppte man die Forschung. Ich hatte Glück im Unglück: Da die Firma das Projekt geschlossen hatte, konnte ich trotz Konkurrenzverbot innerhalb kürzester Zeit dem Ruf ans Imperial College in London folgen, wo ich mit Studenten die Mikrofluidik weiter erforschen durfte. Zudem bin ich bei einer Firma im Silicon Valley als Berater eingestiegen.
Ist es nicht typisch, dass es eine grosse Firma nicht schafft, eine Perle im Portfolio in eine neue Zeit zu transformieren?
So negativ darf man das nicht sehen, denn die Mikrofluidik war keine Perle für die Pharmaindustrie, sondern eher für die Umweltanalytik, die Forschung oder die klinische Diagnostik. Die Pharmaindustrie tickt da anders. Sie kauft lieber das fertige Mikroskop zu einem höheren Preis, als es selbst für relativ wenig Geld selbst zusammen zu bauen. Michael Widmer und sein Team haben in der Forschung und Analytik bei Ciba-Geigy viele Dinge in den verschiedensten Bereichen entwickelt – und waren so ihrer Zeit weit voraus.
Heute ist die Mikrofluidik etabliert. Was sind nun die treibenden Kräfte?
In meinen Augen gibt es zwei treibende Kräfte: Die Anwendung und die Anwender sowie zweitens die universitäre Neugier an der Technologie und die Ausbildung. Stärker ist die erste Kraft: Es gibt Fälle, in denen die Anwendung einer mikrofluidischen Lösung unbedingt nötig ist, um der Anwendung gerecht zu werden. Nehmen wir zum Beispiel das Stichwort «Point of Care». Ziel ist es, einen Patienten direkt an dem Ort zu analysieren, wo er behandelt wird – also zum Beispiel auf der Intensivstation. Er wird am Ort ausgemessen, seine Blut- und Atemluftwerte werden analysiert und man kann direkt überprüfen, ob die eingeleiteten Massnahmen beim Patienten wirken. Eine andere Möglichkeit ist es, in Smartphones unterschiedlichste analytische Möglichkeiten zu integrieren – ähnlich wie beim Tricoder aus Star Trek. Ich bin ziemlich sicher, dass so etwas machbar ist. Doch momentan ist das heisseste Thema im kommerziellen Sektor die klinische Diagnostik. Das hat mich etwas überrascht, denn man kann einen Chip, der mit dem Blut eines Patienten in Kontakt gekommen ist, nicht wiederverwenden. Man benötigt viel Verbrauchsmaterial, was sich auch auf den Preis niederschlägt. Vielleicht findet man hier aber neue Finanzierungsmodelle, bei denen man beispielsweise das Gerät zur Verfügung stellt, aber das Verbrauchsmaterial – also die Chips – bezahlt wird, ähnlich wie beim Rasierer und den Klingen.
Wo sehen Sie in diesem Umfeld die Chance der Schweiz?
Die Ausbildung von qualifizierten Leuten ist wichtig. Da spielen vor allem die ETH und die EPFL eine grosse Rolle für die Schweiz, denn sie ziehen Studierende aus aller Welt an. Sie verlassen die Schweiz hoffentlich mit guten Erinnerungen und könnten sich möglicherweise später für Kommerzialisierungen stark machen. Das könnte eine grosse Chance sein. Natürlich gibt es auch innerhalb der Schweiz grosszügige Personen, aber in der Tendenz spart man hier eher und überlegt zweimal, ob und wo man sein Geld einsetzt. Das ist eine Mentalitätsfrage und nicht zwingend typisch Schweizerisch. Es ist auch nicht schlecht, denn zum Beispiel in der Präzisionsmechanik ist Zuverlässigkeit und Präzision zwingend – und damit passt diese Technologie zu unserer Mentalität. „Quick and dirty“ funktioniert im Silicon Valley oder in Korea besser – doch die Produkte entsprechen dann oft nicht den hiesigen Qualitätsstandards. Das Hochpreisland Schweiz bietet kaum Chancen für eine günstige Produktion, deshalb liegt der Fokus auf der Ausbildung und auf bestehenden Technologien. Auch das ist sehr wichtig und hat eine gute Zukunft.
Wird die Mikrofluidik eines Tages so gross werden wie die Mikroelektronik heute?
Das glaube ich nicht, denn sie beschränkt sich auf chemische oder zellbiologische Anwendungen und ist auch nicht so flexibel wie die Mikroelektronik. Ich sehe höchstens, dass man die neue Technologie auf bestehende Gerätschaften oder Prozesse anwendet.
Aber die heutigen Systeme am Markt sind meist stark geschlossen, es ist schwierig, hier neue Technologien einzubauen.
Ja, aber das stimmt nur teilweise, dann auch die bestehenden Geräte müssen ein Upgrade erhalten. Nehmen wir ein Massenspektrometer. Den kann man kaufen und es gibt sicherlich viele Firmen, welche diese Geräte verkaufen. Wenn aber zehn Firmen etwas gleichwertiges anbieten, muss man sich von der Masse abheben. Schaltet man also beispielsweise ein „Lab on a Chip“ vornedran, kann sich daraus ein klarer Vorteil für dieses Massenspektrometer ergeben. Die Firma verdient zwar durch den Verkauf des Geräts, aber der mikrofluidische Chip gibt den Kaufanreiz – und da kann sicherlich viel Geld geholt werden. Sehen Sie, wir befinden uns im Jahrhundert der Biologie und der Medizin und beginnen gerade damit, Zellen aus dem eigenen Körper zu nehmen, sie zu regenerieren und sie dann vielleicht als fertiges Organ wieder zu verpflanzen. Wenn man sieht, was im letzten Jahrhundert in Physik und Electrical Engineering geschehen ist, und man das ummünzt auf Biologie und Medizin, dann kommt ganz viel auf uns zu. Um diesen Umbruch zu unterstützen, braucht es die Technologie. Gerade KMU können ihre Produkte sehr gut in die Forschung verkaufen, das ist eine Nische. Meist nehmen die kleinen Unternehmen eine alte Technik und modifizieren sie – wie zum Beispiel einen Chip in eine Spritze, der dann direkt beim Aufziehen der Flüssigkeit analysiert, was die Bestandteile sind. Das eröffnet viele Möglichkeiten.
Sie waren auch Mitbegründer von Firmen, bezeichnen sich selbst aber meist als Forscher. Wie geht das zusammen?
Tatsächlich war ich nie ein Unternehmer, sondern immer nur Scientific Advisor. Ich zog es vor, die Hochschulwelt zu erfahren, anstatt in eine Firma voll einzusteigen. In meinem Innersten bin ich ein Abenteurer, der mit wilden Ideen in ein Unternehmen kommt. Geld stand für mich auch nie im Vordergrund, ich wollte immer die Qualität des Lebens verbessern oder den Menschen etwas geben. Die Neugier treibt mich an. Wenn ich Käfer sehe, die fliegen, dann treibt es mich, herauszufinden, wie das funktioniert. Es gibt in den kleinsten Tieren geniale Sensoren und so lange wir als Ingenieure dies nicht nachbauen können, haben wir noch etwas zu tun. Das begeistert mich viel mehr als Quartalsumsatz und Gewinn.
Geld ist aber auch für die Forschung ein wichtiger Treiber.
Ja, bis hinein in die universitäre Forschung geht es um Geld. Forschungsgruppen erhalten Aufträge von Firmen wegen des Profits, den man sich verspricht. Sogar die öffentlich geförderte Forschung muss immer eine kommerzielle Anwendung vorweisen. Neugier oder das Ziel, etwas mit einem ethischen Wert zu erreichen, ist eigentlich in den Ingenieurwissenschaften kaum ein Thema. Natürlich ist es wichtig, dass unsere Studenten auch in die Industrie gehen, schliesslich stammen die Steuergelder grösstenteils aus der Industrie. Aber wenn ich persönlich die Freiheit habe, dann arbeite ich gerne spielerisch – und daraus kann durchaus Ernst entstehen. Nehmen Sie die Elektrophorese auf einem Chip: Auch das war zu Beginn eher eine absurde Idee, aus welcher sich etwas wirklich Spannendes entwickelt hat! So haben viele meiner Arbeiten einen spielerischen, unernsten Aspekt – für mich genau richtig. Sehen Sie, ich kann einen Chip herstellen, der zwar im Innersten die Temperatur der Sonnenoberfläche hat, den man aber in der Hand halten kann. Das ist verrückt, aber es funktioniert, weil nur die Elektronen eine Temperatur von 20'000 Kelvin haben. Das Glas aussenherum erwärmt sich dadurch nicht sehr stark und der Chip schmilzt nicht. Und plötzlich erhält man durch eine verrückte Idee die Plasma-Immissions-Spektroskopie auf einem Chip. Ich finde, es braucht etwas Witz in der Forschung und ich sage gerne, dass wir durch die Mikrofluidik-Forschung grosse Probleme nehmen und sie so klein machen, dass man sie „nicht mehr sieht“.
Sie haben so viele Bereiche in der Mikrofluidik selbst angepackt – können andere Forscher Sie mit ihrer Arbeit noch überraschen?
Zugegeben, heute bin ich durch all die mikrofluidischen Beispiele, die ich bereits gesehen habe, verwöhnt. Manchmal langweilt es mich, wenn ich an eine mikrofluidische Konferenz gehe und sehe, was da «Neues» entstanden ist – irgendwie war das alles schon einmal da. Die Pionierzeit, in der auch eine gewisse Unsicherheit mitspielte, ist wohl definitiv vorbei. Man kann die Mikrofluidik heute mit einer Werkstatt vergleichen, aus der man sich die nötigen Werkzeuge holt, die man gerade braucht. Damit wurde natürlich auch das Wissen weiter verbreitet: Zu Beginn besass ich selbst vielleicht einen Drittel des Wissens weltweit über die Mikrofluidik, heute ist es viel weniger. Dementsprechend schaue ich nun gern etwas über den Tellerrand hinaus.
Sie wurden letztes Jahr vom Europäischen Patentamt für Ihr Lebenswerk geehrt. Was bedeutet dieser Preis für Sie?
Einen Preis kann man nicht planen – man kann vielleicht darauf hoffen. Wenn man ihn dann verliehen bekommt, ist das eine grosse Freude. Auch der Ablauf der Preisverleihung war spannend: Es gab wie bei den Oscars drei Nominierte: Ein Niederländer, der den bis heute verwendeten Codierungsstandard für CD, DVD und Blu-ray Disc entwickelt hat sowie ein Forscher aus Lettland, der mit über 900 Patenten und Patentanmeldungen einer der erfolgreichsten Wissenschaftler und Erfinder in der medizinischen Biochemie ist. Bei dieser Konkurrenz rechnete ich mir sehr geringe Chancen auf den Gewinn aus und war äusserst erstaunt, dass man mich gewählt hatte. Die Jury begründete ihre Entscheidung mit dem Lawineneffekt: Zitate zeigen so gut wie immer auf meine damaligen Patente bei Ciba-Geigy.
Interview: Fabian Käser und Nadine Nikulski, BaselArea.swiss
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*Andreas Manz ist Forscher am Korea Institute of Science and Technology in Saarbrücken (KIST Europe) und Professor an der Universität des Saarlandes. Er gilt heute als einer der Pioniere in der Mikrochip-Technologie für chemische Anwendungen.
Nach Stationen im Forschungslabor von Hitachi in Japan und der Tätigkeit bei Ciba-Geigy in Basel nahm er eine Professur am Imperial College in London an, wo er das Zeneca-SmithKline Beecham Centre for Analytical Chemistry leitete. Währenddessen war er zudem als wissenschaftlicher Berater für drei Unternehmen aus der Chiplabortechnologie tätig, von denen er eines selbst gegründet hatte. Im Jahr 2003 wechselte Manz nach Deutschland und leitete bis 2008 das Leibniz Institut für analytische Wissenschaften (ISAS) in Dortmund.
Rund 40 Patente gehen im Wesentlichen auf ihn zurück und er hat mehr als 250 wissenschaftliche Publikationen veröffentlicht, die bisher über 20'000 Mal zitiert wurden.
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