KI und Roboter statt Menschen: Vollautomatisiertes Labor im KIWI Biolab

Ein Labor ohne Menschen? An der TU Berlin ist das Realität. Ein vollautomatisiertes Labor führt mithilfe von Künstlicher Intelligenz und verschiedenen Robotern eigenständig Versuche und Analysen durch. Das KIWI Biolab zählt damit zu den führenden Laboren für die Entwicklung von Bioprozessen.

Es klingt ein bisschen nach Science Fiction: Ein Labor, das seine Experimente weitgehend selbständig planen, durchführen und auswerten kann. In dem von Computern und Künstlicher Intelligenz (KI) gesteuerte Roboter mit modernsten Analysegeräten zusammenarbeiten. Und in dem sich kein Mensch mehr die Nächte um die Ohren schlagen muss, um Zellen zu füttern und die Versuche in Gang zu halten.

Genau das aber ist im KIWI Biolab an der Technischen Universität Berlin Realität geworden. Die Entwicklerinnen und Entwickler des vollautomatisierten Hightech-Labors werden ihr Knowhow künftig auch im neuen Forschungszentrum „Der Simulierte Mensch“ (Si-M) von TU Berlin und Charité – Universitätsmedizin Berlin zur Verfügung stellen.

Anfänge in der Mikrobiologie

„Mich hat schon immer interessiert, wie man neue biologische Prozesse möglichst schnell vom Labor in die Praxis bringen kann“, erzählt Prof. Peter Neubauer, der an der TU Berlin das Fachgebiet Bioverfahrenstechnik leitet. Der Mitbegründer und Leiter des KIWI Biolabs ist gelernter Mikrobiologe. Also hat er sich solche Fragen zunächst vor allem in Bezug auf Bakterien, Hefen und Pilze gestellt: Wie lassen sich solche Organismen am besten in Bioreaktoren halten? Und zwar so, dass sie sich nicht nur vermehren und gut gedeihen, sondern auch wertvolle Substanzen wie etwa spezielle Proteine für die Pharmaindustrie produzieren?

Darauf eine Antwort zu finden, ist alles andere als einfach. Denn die kleinen Fabrikanten reagieren oft sehr stark auf ihre Umgebung. In einem Laborversuch im Milliliter-Maßstab mögen sie sich ja einwandfrei verhalten haben. Das muss aber nicht heißen, dass sie das in einem Bioreaktor mit ein paar hundert Kubikmetern Inhalt ebenfalls tun. Vor einer industriellen Nutzung gilt es daher herauszufinden, unter welchen Bedingungen welche Organismen die gewünschte Aufgabe am besten erledigen können.

Vollautomatisierte Arbeit im Labor

Anhaltspunkte dafür können Modellrechnungen liefern. Wie schnell wächst ein Organismus? Wie viel Substrat verbraucht er dabei? Diese und viele andere Parameter fassen Neubauer und sein Team in mathematische Formeln. Im Computer lässt sich dann vergleichen, wie verschiedene Varianten eines Prozesses ablaufen und welche davon die besten Ergebnisse liefert.

„Solche mathematischen Modelle können wir aber auch mit Robotern und Analysegeräten verbinden“, erklärt Neubauer weiter. Auf diese Weise lässt sich die Arbeit im Labor digital organisieren und automatisieren. Ein Typ von Robotern saugt dann zum Beispiel zu bestimmten Zeiten ein paar Milliliter Flüssigkeit aus dem Bioreaktor. Einer seiner fahrbaren Kollegen transportiert die Probe anschließend zu einem Messgerät, das ihre Eigenschaften analysiert. Damit das klappt, müssen die technischen Helfer ihre Arbeit allerdings so aufeinander abstimmen, dass jeder im richtigen Moment das Richtige tut. „Dazu brauchen wir umfangreiche Computerprogramme“, so Neubauer.

Schneller und effizienter zum optimalen Prozess

Doch der Aufwand lohnt sich. Das KIWI Biolab gehört mittlerweile zu den weltweit führenden Laboren für die Entwicklung von Bioprozessen. Durch den Einsatz von mathematischen Modellen und KI lassen sich dort selbst komplexe Experimente vollautomatisiert durchführen. Die KI entscheidet zum Beispiel, wann es sinnvoll ist, eine Probe zu nehmen und leitet dann die nötigen Schritte in die Wege. Sie sorgt dafür, dass es den Organismen im Bioreaktor an nichts fehlt und hält Temperatur, pH-Wert sowie andere Einflussgrößen automatisch im optimalen Bereich. Dadurch steuert sie den Prozess so, dass er eine möglichst große Ausbeute oder eine bestimmte Qualität des gewünschten Produkts liefert. Sie erkennt sogar, wann ein Experiment nicht gut läuft, sodass es abgebrochen, wiederholt oder verändert werden muss.

„Das alles ist zum Beispiel für die Pharmaindustrie extrem interessant“, meint Neubauer. Lohnt es sich, mit einem neuen Produkt aus dem Labor in Richtung Anwendung zu gehen? Welcher von mehreren möglichen Kandidaten ist dabei am erfolgversprechendsten? Und wie sieht später der optimale Prozess für die Produktion aus? Solche Fragen lassen sich im KIWI Biolab viel schneller und effizienter beantworten als in einem herkömmlichen Labor.

Daten-Marktplatz für die Biotechnologie-Branche

Kein Wunder also, dass Peter Neubauer und sein Team in vielen Projekten mit Arzneimittelherstellern zusammenarbeiten. „Die Entwicklung eines neuen Medikaments kostet im Schnitt 2,5 Milliarden US-Dollar und dauert zehn bis 15 Jahre“, sagt der Forscher. Jedes überflüssig gewordene Experiment, jeder eingesparte Tag nützt also Patient:innen und Firmen gleichermaßen.

„Bisher haben wir uns vor allem mit Prozessen beschäftigt, bei denen Mikroorganismen eine Rolle spielen“, so Neubauer weiter. „Es gibt aber auch ein großes Interesse an ähnlichen Verfahren für Zellkulturen.“ Genau damit wird sich seine Arbeitsgruppe künftig am Forschungszentrum Si-M beschäftigen, in dem TU Berlin und die Charité kooperieren.

Ein weiterer Schwerpunkt wird die Entwicklung eines Daten-Marktplatzes für die Biotechnologie-Branche sein: Welche Informationen muss man bei einem Experiment erfassen, damit es sich reproduzieren lässt? Wie muss man die Daten darstellen und anderen anbieten, damit diese sie nachvollziehen und nutzen können? Auch in solchen Fragen hat das Team über die Jahre sehr viel Erfahrung gesammelt.

„Wir sind aus meiner Sicht keine Kern-Gruppe am Si-M“, schränkt der Wissenschaftler ein. Deshalb werde auch nur ein kleiner Teil seiner Leute nach und nach in das neue Forschungszentrum umziehen. „Unsere Kompetenzen sind aber für viele Gruppen interessant, die dort arbeiten.“ Denn Roboter und KI dürften künftig auch in anderen Laboren eine immer wichtigere Rolle spielen. Und damit die technischen Forschungshelfer auch tun, was sie sollen, liegt noch viel Arbeit vor Peter Neubauer und seinem Team.

Technologie und Expertise unter einem Dach

Am 22. April 2026 öffnen sich, vier Jahre nach Grundsteinlegung, die Türen des fünfstöckigen Forschungsgebäudes „Der Simulierte Mensch“ (Si-M). Auf dem Campus in Berlin-Wedding wollen künftig Mediziner:innen, Natur- und Ingenieurwissenschaftler:innen der TU Berlin und der Charité – Universitätsmedizin Berlin multidisziplinär zusammenarbeiten, um neue therapeutische und diagnostische Ansätze für Krankheiten zu entwickeln. Bioanalytik, Organoidtechnologien und Methoden zur Zellvermessung sind dabei, ebenso wie Einzelzellgenetik, Bioinformatik, Automatisierungs- und Medizintechnologie – vielfach verwoben mit weiteren Fachgebieten und Exzellenzclustern.

Schon architektonisch sind im Si-M-Gebäude die integrative Arbeitsatmosphäre und der geplante Dialog mit der Öffentlichkeit angelegt: Im lichtdurchfluteten zentralen Atrium mit Café und rundem Vortragssaal schraubt sich imposant ein offenes Treppenhaus in die Höhe. Es führt zu den großzügigen Laboratorien voller Großtechnologie wie Massenspektrometrie, Bioprinting, Laserscanning-Mikroskopie und anderen.