Angesichts der im weiten Feld von Kunst und Wissenschaft zu beobachtenden Entwicklung, die sowohl Fragestellungen als auch Methoden der genannten Bereiche in immer engere Verflechtung und gegenseitige Bedingungen führte, wurde im Herbst 2009 in der Zuständigkeit der Abteilung V/7 der Kunstsektion des Bundesministeriums für Unterricht, Kunst und Kultur ein eigener Förderungszweig für interdisziplinäre Projekte eingerichtet. Prozessorientierte Arbeit und Erkenntnisdrang kennzeichnen Methodik und Impetus der ProtagonistInnen. Das im Folgenden beschriebene Projekt wurde dem Auditorium durch vorbildliche Vermittlung von Prof. Dr. Gerhard Schütz nahe gebracht:

Wenn wir denken, fließen Ströme

Zu einem interdisziplinären Konzert des Faraday Orchesters, uraufgeführt am 13. Oktober 2011 im Wiener WUK Wenn wir denken, fließen Ströme. Es handelt sich dabei um elektrische Ströme, die in Milliarden von Nervenzellen unsere Gedanken kodieren, unsere Wünsche, unsere Ängste, aber auch unsere Aktivitäten. Die Natur nutzt dabei eine faszinierende Kombination aus Proteinen (also Eiweiß-Molekülen) und Lipiden (also Fetten), die eine Barriere zwischen Zellinnerem und –äußerem bildet. Diese Moleküle formen die Zellmembran, wobei die Lipide für die grundlegenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Barriere verantwortlich sind, während die Proteine sehr spezifische Funktionen der Membran vermitteln, wie Transport und Kommunikation.

Es gibt kaum Moleküle, welche die Zell-Membran überwinden können. Insbesondere für geladene Teilchen gibt es so gut wie kein Durchkommen. Deshalb können Lipid-Membranen mit Fug und Recht zu den besten elektrischen Isolatoren gezählt werden, die existieren. Dabei sind Membranen extrem dünn: nur ca. 5nm (also 5 Millionstel Millimeter) bei einer Fläche von bis zu mehreren mm2. Legt man über eine Lipid-Membran eine Spannung von einem Zehntel Volt an (wie sie typischerweise bei Zellen auftritt), so misst man so gut wie keinen Stromfluss. Das eigentlich Erstaunliche ist aber die Tatsache, dass die Membran bei dieser Spannung nicht kaputt geht. Die Belastung entspricht einer Spannung von einer Million Volt auf zwei Kontakten mit fünf cm Abstand. Luft würde bei einer hundertmal geringeren Spannung bereits leiten und der Strom einen leuchtenden Bogenblitz bilden. Erst bestimmte in der Membran eingelagerte Proteine ermöglichen Ströme und diese werden in der Kommunikation zwischen Zellen verwendet. Es handelt sich dabei um Ionenkanäle, also kleinste Poren für geladene Moleküle, die man als Ionen bezeichnet. In der hochkonzentrierten Salzlösung, die biologische Zellen umgibt, ist ein enormes Reservoir an verschiedenen Ionen vorhanden. Ionenkanäle können sich typischerweise auf einer Sekunden-Zeitskala öffnen und schließen. Ein Ionenkanal verhält sich also wie ein elektrischer Leiter mit einem schaltbaren elektrischen Widerstand: legt man eine Spannung an, wandern im Offenzustand bis zu ca. 10 Millionen Ionen pro Sekunde durch die Pore. Im geschlossenen Zustand hingegen stellt die Membran für geladene Teilchen ein praktisch unüberwindbares Hindernis dar. 10 Millionen Ionen pro Sekunde stellen einen unglaublich kleinen Strom dar. Um eine Glühbirne zu betreiben, würde man den Strom von etwa 1012 sich gleichzeitig öffnenden Kanälen benötigen, eine Zahl mit 12 Nullen!

Dennoch können moderne Messmethoden diese kleinsten Ströme messen und so selbst das Öffnen und Schließen einer einzigen Pore auf der Grundlage der wandernden Ionen beobachten. In biophysikalischen Labors werden so die Eigenschaften individueller Ionenkanäle, also einzelner Moleküle, erforscht. Dazu werden die Kanalproteine hergestellt, in eine künstliche Lipidmembran eingebettet, eine elektrische Spannung angelegt, der Stromfluss verstärkt und gemessen. Die Messwerte werden üblicherweise mit einem Computer aufgenommen und danach analysiert.

Bei so einem Experiment ist auch die Idee zum Faraday Orchestra geboren worden: die Messungen einzelner Ionenkanäle werden dabei nicht optisch (wie es Wissenschaftler üblicherweise tun), sondern akustisch dargestellt. Neben einem kommerziellen hochsensitiven Verstärker und einer Messkammer ist das entscheidende Gerät Marke Eigenbau: es handelt sich um einen Spannung-Frequenzwandler, welcher die gemessenen Ströme in Frequenzen umwandelt. Dieser ermöglicht es auch den Kanal zu „stimmen“, also den gemessenen Stromstärken exakte Töne zuzuordnen. Somit entstehen zufällige Tonfolgen auf einstellbaren Skalen, die als stochastische Melodien die Grundlage für Improvisationsmusik bilden.

In der Konzertsituation soll dem Publikum die Faszination vermittelt werden, einen molekularen Prozess live mitzuerleben. Diese Faszination soll über das Stilmittel der Musik positiv belegt Wissenschaft als spannende, moderne und interessante Beschäftigung erfahrbar machen und dem vorherrschenden Stereotyp einer isolierten und langweiligen Tätigkeit entgegenwirken. Als wichtiges Element wird durch die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Künstlern ein Imagetransfer angestrebt, der einerseits den Künstler nicht nur als Performer auf der Bühne definiert, sondern als gestaltenden Intellektuellen. Andererseits wird der Wissenschaftler neben seinen intellektuellen Fähigkeiten als ausdrucksvoller Musiker erlebbar gemacht.

In der gegenwärtigen Konfiguration verwenden die Musiker/Wissenschaftler das Molekül Gramicidin, ein kleines porenbildendes Protein aus Bakterien. Im Prinzip können aber beliebige Kanalproteine verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, den Einfluss von Stimulanzien – z.B. Medikamenten – direkt hörbar zu machen.

Dr. Gerhard J. Schütz
Professor für Biophysik am Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Wien