Michael Trubetskov ist Computerspezialist. Er wertet die Informationen aus, die Forscher aus der lasergestützten Analyse von Molekülen im Blut gewinnen.
Als kleiner Junge in der Sowjetunion schraubte Dr. Michael Trubetskov gerne an Metallspielzeug herum. Mit seinen Конструктор-Baukästen setzte er Bauteile zu großen Gebilden zusammen. Daraus entstand eine lebenslange Faszination für die Wissenschaft. Seit 2012 arbeitet Trubetskov nun am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ). Bei seiner Arbeit geht es immer noch darum, nützliche Werkzeuge aus kleineren Bauteilen zu schaffen - doch sein Spielzeug ist jetzt die Software. Trubetskov schreibt Programme, die anderen Wissenschaftlern dabei helfen sollen, Krebs mithilfe von Laserlicht zu diagnostizieren — und das auf nicht-invasive Weise, bevor sich Symptome bemerkbar machen.
„Früher bestimmten die Bauteile, was ich zusammengeschraubt habe“, sagt Michael Trubetskov. In seinem Büro am Garchinger Forschungszentrum türmen sich Bildschirme auf, die einen eintauchen lassen in tiefe Datenozeane und jede Menge Programmiercode. Trubetskov deutet auf die Monitore, „Jetzt arbeite ich mit einem Spielzeug, das unbegrenzte Möglichkeiten bietet. Wenn ich ein neues Bauteil brauche, dann greife ich nicht mehr in den Kasten, sondern mache es selber.“ Trubetskovs Aufgabe ist es, Programme zu entwickeln, die Messdaten für die Krebsdiagnose aufbereiten. „Meine Software hat das Ziel, unverarbeitete Daten zu säubern, d.h. Störgeräusche herauszufiltern, und den eigentlichen Informationswert, der für die Krebsdiagnose relevant ist, zu maximieren.“
Als Mitarbeiter im Broadband Infrared Diagnostics Projekt (BIRD) ist Trubetskov ein Bindeglied in einer Kette von Physikern, Mathematikern und Medizinern, die Laserlicht und Krebsdiagnose verbindet. An der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und dem MPQ arbeiten sie daran, die molekulare Zusammensetzung von Blut mittels Infrarotwellen zu analysieren und so auf den Gesundheitszustand eines Patienten zu schließen. Die Hoffnung: Krebs im Frühstadium zu erkennen, wenn die Heilungschancen am höchsten sind. Doch die Interaktion von Licht und Molekülen ist nicht direkt einsehbar. Die wichtigen Informationen verbergen sich tief in den Messwerten, überschattet von „Störgeräuschen“ der Instrumente und der komplexen Chemie im Blut. Trubetskov soll diese wertvollen Informationen aufspüren. Mithilfe seiner Programme isolieren dann Wissenschaftler die relevanten Daten und bereiten sie auf, bevor diese von einer künstlichen Intelligenz weiter analysiert werden.
Metaphorisch gesehen sucht die BIRD-Forschungsgruppe nach der Nadel im Heuhaufen, oder vielmehr nach Nadeln in zigtausenden Heuhaufen. Die Heuhaufen sind Blutproben, die von Krebspatienten und gesunden Probanden gesammelt werden. Die Nadeln sind die Merkmale des Bluts, die eine Krebsdiagnose möglich machen — auch „molekulare Fingerabdrücke“ genannt. Wenn ein Femtosekundenpuls (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde) auf eine Blutprobe trifft, werden die Moleküle im Blut in Schwingung gebracht. Die Moleküle vibrieren. An diesem „Echo“ liest man den molekularen Fingerabdruck ab.
Das Problem ist nur, dass die Wissenschaftler nicht genau wissen, welche Merkmale der Fingerabdrücke Indizien für Krebs sind — das heißt, nach welchen Nadeln sie in den Heuhaufen suchen müssen. Dazu kommt noch, dass es in ihnen nur so von „falschen“ Nadeln wimmelt — Störsignalen, die von den Instrumenten erzeugt werden, und die von den gesuchten Merkmalen nur schwer zu unterscheiden sind. Sauber trennen kann man den ursprünglichen Puls von dem Echo nämlich nicht. Denn das Echo wird von dem Puls erzeugt und beeinflusst. Dazu kommt, dass der Kurzpulslaser selbst noch so neu ist, dass seine Intensität nicht immer konstant ist. Seine Schwankungen sind zufällig und müssen mit einkalkuliert werden.
Um den Vergleich der Blutproben überhaupt möglich zu machen, muss Trubetskov die „falschen“ Nadeln entfernen, die Störsignale ausblenden, und die gesuchten Nadeln isolieren. Erst dann können die relevanten Merkmale analysiert werden. Der Vergleich dieser Merkmale wird anschließend von sogenannten „neuronalen Netzwerken“ durchgeführt, die die Datenmengen nach Mustern durchsuchen.
Das komplizierte Aufbereiten der Messwerte erfordert ein breitgefächertes Wissen. Trubetskovs Ausbildung als Physiker, sowie als Mathematiker und Informatiker, verleihen ihm eine Kombination aus theoretischer und praktischer Erfahrung. „Oft zählt auch die Intuition“, sagt Trubetskov. „Manchmal hat man einfach so ein Gefühl, dass man auf der richtigen Fährte ist. Und man kann Probleme oft nicht lösen, indem man sich nur an den Schreibtisch setzt.“ Wenn Trubetskov an einem kniffligen Problem nicht vorbeikommt, dann geht er schwimmen oder macht am nächsten Tag weiter. „Manchmal muss man einfach etwas anderes machen — und plötzlich fällt einem dann die Lösung ein.“
Eine der größten Herausforderungen ist, dass sich die Anforderungen ständig ändern. „Oft bin ich gerade fertig mit einem Programm, wenn meine Kollegen mich bitten, grundlegende Aspekte komplett zu ändern“, sagt Trubetskov. Um sich in unter diesen Anforderungen zurecht zu finden, setzt Trubetskov auf eine Strategie, die man „agile Softwareentwicklung“ nennt. Anstatt festen Bauplänen zu folgen und die Entwicklung von Programmen bis auf mikroskopische Details zu planen, lässt Trubetskov Freiraum für Veränderungen. „Es ist ein nicht-linearer Prozess.“ Und die Arbeit lohnt sich. „Das höchste Gefühl ist es, wenn etwas funktioniert“. Trubetskov zeigt auf seinen Rechner, der unter dem Tisch vor sich hin surrt. „Das hier ist nicht viel mehr als Silikon und Kabelsalat. Wenn wir dieser Maschine beibringen können, uns Einblicke in die Realität zu schenken, und so eventuell Krebs zu diagnostizieren, dann macht mich das stolz.“ Und so ist aus dem Jungen, der einst an Metallspielzeugen schraubte, ein Forscher geworden, der die Wissenschaft von morgen mitgestaltet.
