Deblina Sarkar baut mikroskopische Maschinen, die in unsere Gehirne eindringen sollen.

Deblina Sarkar stellt kleine Maschinen her, von denen sie große Träume hat. Tatsächlich sind die Maschinen so klein, dass sie problemlos in lebenden Zellen Platz finden können. Und ihre Träume sind so groß, dass sie vielleicht eines Tages deinen Verstand retten.

Sarkar ist Nanotechnologe und Assistenzprofessor am MIT. Sie entwickelt ultrakleine elektronische Geräte, von denen einige kleiner als ein Staubkörnchen sind und von denen sie hofft, dass sie eines Tages ins Gehirn gelangen. Sie ist auch ein Fan von Kung-Fu-Filmen und tanzt gerne ihre eigene Variante des Bharata Natya, einer klassischen indischen Tanzform. Gelegentlich geht sie mit ihren Doktoranden wandern, einmal führt sie sie bis nach Yellowstone. Der Aufbau von Kameradschaft sei von entscheidender Bedeutung, sagt Sarkar. Aber „Ich arbeite wahrscheinlich Tag und Nacht an meiner Recherche“, gesteht sie. „Es liegt ein dringendes Problem vor.“

Dieses Problem ist die Alzheimer-Krankheit, die Parkinson-Krankheit und andere neurologische Erkrankungen, die den Geist von Millionen Menschen weltweit beeinträchtigen. Sarkars Lösung: Einsatz winziger Maschinen, um diese Störungen zu erkennen und zu beheben.

„Sie war schon immer daran interessiert, … Elektronik auf biologische Systeme anzuwenden“, sagt der Mitarbeiter und Bioingenieurforscher Samir Mitragotri von der Harvard University, der Sarkar seit etwa einem Jahrzehnt kennt und Mitglied ihres Dissertationsausschusses war. Sie stellt sich vor, ihre Werkzeuge zu nutzen, um „die Art und Weise zu verändern, wie Menschen Biologie betreiben“, sagt er, und „eine Brücke zwischen den Welten zu schlagen“.

Sarkar wurde in Kalkutta, Indien, geboren und nennt ihre beiden Eltern als frühe Inspirationen. Ihre Kühnheit als Forscherin verdankt sie ihrer Mutter, die sich als junge Frau den sozialen Normen in ihrem Dorf widersetzte, indem sie sich für die Finanzierung ihrer eigenen Ausbildung einsetzte und sich gegen das Mitgiftsystem aussprach. Unterdessen weckte Sarkars Vater ihre Faszination für die Technik.

Im Alter von 15 Jahren gab er seinen Traum, Ingenieur zu werden, auf und suchte nach anderen Jobs. Er musste seine Eltern und den Rest seiner Familie unterstützen, nachdem sein Vater, ein indischer Freiheitskämpfer, ins Bein geschossen wurde und nicht mehr arbeiten konnte. Dennoch erinnert sich Sarkar daran, dass ihr Vater Zeit für seine Leidenschaft fand, Geräte zu entwickeln, die das Leben zu Hause bequemer machen. Dazu gehörten eine stromlose Waschmaschine und Fahrzeuge, die schwere Lasten über örtliche Nebenstraßen zu ihrem Haus transportieren konnten.

„Das hat mein großes Interesse an Wissenschaft und Technologie geweckt“, sagt Sarkar. „Speziell Ingenieurwesen.“

Erhalten Sie großartigen Wissenschaftsjournalismus von der vertrauenswürdigsten Quelle direkt an Ihre Haustür.

Nach seinem Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik am Indian Institute of Technology Dhanbad zog Sarkar nach Kalifornien, um an der University of California, Santa Barbara, Nanoelektronik zu studieren. Dort testete sie neue Wege zur Herstellung von Nanogeräten, die den Stromverbrauch von Computern und anderen Alltagselektronikgeräten reduzieren könnten.

Ein herausragendes Gerät, das Sarkar während ihrer Abschlussarbeit entwickelte, war ein Transistor, der den Leistungsverlust als Wärme im Vergleich zu einigen der heute gängigsten Siliziumtransistoren um 90 Prozent reduzierte (SN: 18.03.22). Für den Durchbruch verlieh die UC Santa Barbara Sarkar seinen Ph.D. Dissertation mit dem Lancaster Award für ihren Einfluss auf die Weiterentwicklung von Mathematik, Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften.

Unterwegs entwickelte Sarkar eine Faszination für das Gehirn, das sie „den Computer mit der niedrigsten Energie“ nennt. Ein Projekt zur Bildgebung von Amyloid-Beta-Plaques als Postdoktorandin am MIT öffnete die Tür zur Verschmelzung ihrer beiden Interessen, und sie blieb als Assistenzprofessorin tätig, um die Nano-Cybernetic Biotrek-Gruppe zu gründen. Ihre Gruppe entwickelt Nanogeräte, die mit lebenden Zellen interagieren können, sowie „neuromorphe“ Computergeräte, deren Architektur vom menschlichen Gehirn und Nervensystem inspiriert ist.

Das bisher innovativste Gerät der Gruppe dürfte der Cell Rover sein, eine Flachantenne, die Prozesse innerhalb von Zellen überwachen könnte. Für eine im Jahr 2022 veröffentlichte Studie verwendeten Sarkar und ihre Kollegen Magnetfelder, um einen Cell Rover, etwa so groß wie ein Bärtierchen, in eine reife Froscheizelle zu verwandeln. Das Team zeigte, dass Moleküle im Nanogerät bei Anregung durch ein durch einen Wechselstrom erzeugtes Magnetfeld mit Frequenzen vibrierten, die für lebende Zellen ungefährlich sind. Mithilfe eines Drahtspulenempfängers konnten die Forscher erkennen, wie diese Vibrationen das eigene Magnetfeld des Geräts beeinflussten, und so zeigen, dass es mit der Außenwelt kommunizieren konnte. Cell Rovers könnten mit Filmen ausgestattet werden, die sich an ausgewählte Proteine oder andere Biomoleküle heften und diese erkennen.

Sarkar stellt sich vor, das Gerät zu nutzen, um fehlgefaltete Proteine im Gehirn zu erkennen, die frühe Anzeichen der Alzheimer-Krankheit sein könnten. Heutzutage ist Gedächtnisverlust der einzige Weg, um zu wissen, dass ein lebender Mensch Alzheimer hat, aber bis dahin ist der Schaden irreversibel, sagt Sarkar. Cell Rovers könnten auch mit Nanogeräten kombiniert werden, die Energie aus Zellen gewinnen und diese elektrisch stimulieren, was die Tür für neue Arten von Gehirnelektroden und subzellulären Schrittmachern öffnet. Oder Flotten ferngesteuerter Geräte könnten invasive Operationen ersetzen – zum Beispiel um einen kleinen, im Gehirn wachsenden Tumor zu erkennen und ihn vielleicht sogar abzutöten.

Sie begründet im Wesentlichen ein neues Wissenschaftsgebiet an der Schnittstelle von Nanoelektronik und Biologie, sagt Mitragotri. „Es gibt viele Chancen für die Zukunft.“

Sarkar hofft, eines Tages Nanogeräte zwischen menschliche Neuronen einfügen zu können, um die Rechengeschwindigkeit des fleischigen Prozessors, der sich bereits in unseren Schädeln befindet, zu steigern. Unser Gehirn sei bemerkenswert, sagt sie, aber „wir könnten besser sein als wir sind.“

Deblina Sarkar ist eine der diesjährigen SN 10: Scientists to Watch, unserer Liste von 10 Wissenschaftlern am Anfang und in der Mitte ihrer Karriere, die außergewöhnliche Beiträge auf ihrem Gebiet leisten. Die vollständige Liste werden wir im Laufe des Jahres 2023 veröffentlichen.

Möchten Sie jemanden für den SN 10 nominieren? Senden Sie ihren Namen, ihre Zugehörigkeit und ein paar Sätze über sie und ihre Arbeit an [email protected].