Katharina Schmidt ist Betriebswirtin und seit drei Jahren passionierte Imkerin – eine seit 1984 bestehende Tradition in ihrer Familie. 2017 beschloss sie, Beruf und Hobby zu verknüpfen, und gründete zusammen mit dem Elektrotechniker Matthias Diehl und dem Informatiker Frederic Tausch apic.ai. Das Technologieunternehmen nimmt mithilfe eines speziellen visuellen Monitoringsystems Honigbienenvölker unter die Lupe und will daraus Rückschlüsse auf den Zustand der Völker und ihrer Umgebung ziehen. „Wir statten Bienenstöcke mit unserem Messsystem aus, um die Bienen beim Betreten und Verlassen mit einer Kamera zu erfassen“, erklärt Katharina Schmidt. „Ein auffällig hoher Verlust von Sammelbienen, geringe Flugaktivität oder ein verändertes Sammelverhalten können uns Aufschluss über die lokalen Lebensbedingungen für Insekten geben.“ Das Monitoringsystem beruht auf Methoden der Künstlichen Intelligenz, genauer gesagt auf neuronalen Netzen. Diese bestehen aus künstlichen Neuronen, die zu einem Netzwerk verknüpft sind. Der hochkomplexe Aufbau, inspiriert durch das menschliche Gehirn, erlaubt es, einen Computer-Algorithmus mit Beispieldatensätzen zu trainieren. So ist es möglich, die Bienen automatisiert zu erkennen und ihre Bewegungen sowie bestimmte Verhaltensmuster zu verfolgen.

Hinter der Idee von apic.ai steckt das Prinzip der sogenannten „Biosensorik“. Der Begriff wurde bereits im Jahr 1977 von Karl Cammann geprägt, seit 1997 gibt es eine Definition der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) dafür ¹. Vereinfacht gesagt sind Biosensoren Messfühler, die an biologische Erkennungs-elemente gekoppelt sind und so eine Vielzahl biologischer Daten aufnehmen und technisch verwertbar machen können. Das Erkennungselement kann aus einem Enzym, einem Antikörper, DNA, Rezeptoren, Zellen, Geweben oder auch aus ganzen lebenden Organismen bestehen.^{2, 3}

In medizinischen Anwendungen sind Biosensoren schon lange etabliert, zum Beispiel als Enzymsensoren bei der Blutzuckermessung von Menschen mit Diabetes oder bei der Laktatkontrolle zur Einschätzung des Fitness-zustandes von Sportlern. Auch Immunsensoren, die auf einer Antigen-Antikörper-Reaktion beruhen, sind auf dem Markt. 

Ebenso findet man in der Nahrungsmittel- oder Umweltanalytik mitunter Biosensoren. Zwei Beispiele:

• Die Gruppe „Molekulare Zelltechnologie“ des Fraunhofer-Institutes für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik in Stuttgart beispielsweise entwickelt Biosensor-Verfahren für die Überwachung von Trinkwasser auf fiebererzeugende mikrobielle Bestandteile (Pyrogene). Als biologisches Element dienen in diesem Falle Mikroorganismen oder auch Säugerzellen, die schnell auf eine Verunreinigung des Trinkwassers reagieren.⁴
• Um Medikamentenverunreinigungen schneller und effektiver in Gewässern nachweisen zu können, hat ein internationales Wissenschaftlerteam ein neuartiges Biosensorik-System entwickelt. Das sensitive Gerät kann zwei pharmazeutische Wirkstoffklassen, nämlich Betablocker und nichtsteroidale Entzündungshemmer (NSAIDs), in Echtzeit messen. Dahinter steckt ein zellbasiertes Biosensor-System, das ein Fluoreszenzsignal erzeugt, sobald die Biosensoren in Kontakt mit den Pharmazeutika kommen. Das System wurde im Rahmen des vom Bundesumweltministerium geförderten Verbundprojektes „EFF-Pharm“ an der Universität Tübingen entwickelt.^{5, 6}

Auch das von apic.ai entwickelte Biosensorsystem lässt umweltbe-zogene Aussagen zu. „Aufgrund ihres Flugradius können wir davon ausgehen, dass die Biene ein guter Biosensor für eine Fläche im Umkreis von zwei bis drei Kilometern um den Bienenstock herum ist“, erklärt Katharina Schmidt. „Geht es der Honigbiene aufgrund von Giftstoffen oder Nahrungsmangel nicht gut, sind die Bedingungen für Wildbienen und andere Insekten in diesem Gebiet höchstwahrscheinlich mindestens genauso schlecht.“ 

Derzeit beschäftigt sich apic.ai mit zwei Pilotprojekten

•  Einsatz des Monitoringsystems für die flächige Erfassung der Qualität urbaner und ländlicher Lebensräume für Insekten: In Karlsruhe baut das Start-up derzeit ein Testfeld auf, mit dem es die lokalen Lebensbedingungen von Insekten erfasst. Dazu wurden seine Monitoringsysteme an 18 Standorten installiert und zu einem stadtweiten Netzwerk von Messstationen verknüpft. Aus den erhobenen Daten sollen Erkenntnisse zu den Lebensbedingungen von Insekten an den einzelnen Standorten abgeleitet werden.
   
• Prüfung von Pflanzenschutzmitteln: In Kooperation mit dem Unternehmen Eurofins Agroscience Services hat apic.ai sein Messsystem als Werkzeug für ökotoxikologische Untersuchungen validiert. Hersteller von Pflanzenschutzmitteln müssen solche Analysen vor der Markteinführung ihrer Produkte durchführen, um deren Unbedenklichkeit für Insekten zu belegen. Auch weitere Hypothesen über die Ursachen des Insektensterbens können damit überprüft werden.

Beide Methoden befinden sich in der Validierung. „Bei all den Diskussionen um das Insektensterben wird häufig vergessen, dass wir zunächst das Problem verstehen müssen, bevor wir sinnvoll dagegen vorgehen können“, sagt Katharina Schmidt. „Wir glauben, durch belastbare Daten bald mehr Transparenz bezüglich vieler Zusammenhänge schaffen zu können.“

Literatur:

¹ de.wikipedia.org/wiki/Biosensor

² www.ufz.de/index.php?de=39398

³ www.igb.fraunhofer.de/de/forschung/kompetenzen/molekulare-biotechnologie/molekulare-zelltechnologie/biosensorik.html

⁴ www.igb.fraunhofer.de/de/forschung/kompetenzen/molekulare-biotechnologie/molekulare-zelltechnologie/biosensorik.html

⁵ labo-2018.xist4c.de/umweltanalytik/biosensoren--medikamente-in-gewaessern-nachweisen.htm

⁶ biooekonomie.de/nachrichten/zellen-spueren-arzneien-im-abwasser-auf