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    The Wonderful World of Life: Cells, Proteins, and the Immune System

    Life, in its incredible diversity and complexity, is the result of a fascinating interplay of countless biological processes and structures that often operate in the hidden. Every cell in our body, no matter how insignificant it may seem, is a small wonder of nature. It houses a multitude of proteins that, like tiny machines, tirelessly work to preserve life. These proteins not only ensure that our cells perform their daily tasks but also play a crucial role in protecting our bodies.

    Our immune system, one of the most impressive creations of evolution, defends us against countless threats – from invading microorganisms to degenerated cells that can endanger our health. This defense system is a complex network of cells, proteins, and chemical signals that together make the difference between health and disease. In this essay, we will focus on this „wonderful world of life”, with a particular emphasis on the immune system. The goal of this work is to provide a comprehensive and accessible understanding of how the immune system functions. It is recommended to read the chapters in the given order so that the information builds upon itself step by step, allowing for a deeper understanding of the topic.

    Let us now immerse ourselves in this marvellous world of life to understand how the invisible preserves our lives.

    1. A Look Beneath the Skin – A Journey Within
    2. The Cell – The Fundamental Building Block
    3. Proteins – The Building Blocks of Life
    4. From Code to Protein – Cellular Mechanisms
    5. The Body’s Shield – Our Immune System
    6. Hidden Defense – The Power of Cross-Immunity
    7. Key takeaways
    8. Closing words

    Complete Table of Contents

    1. A Look Beneath the Skin – A Journey Within
    2. The Cell – The Fundamental Building Block
    3. Proteins – The Building Blocks of Life
    4. From Code to Protein – Cellular Mechanisms
    4.1. From Signals to Actions
    4.2. The Protein Biosynthesis
    4.2.1. Transcription
    4.2.2. Translation
    4.3. The Protein
    5. The Body’s Shield – Our Immune System
    5.1. Origin of Immune Cells
    5.2. Mechanisms of Immune Recognition: NON-SELF vs. SELF
    5.2. a) SELF-Markers: MHC Molecules
    5.2. b) SELF-Markers: CD47 Molecule
    5.2. c) SELF-Markers: Sialic Acid
    5.3. The Nonspecific Immune Defense
    I – First Line of Defense: Mechanical and Chemical Barriers
    II – Second Line of Defense: White Blood Cells
    5.3. a) Granulocytes
    5.3. b) Macrophages
    5.3. c) Dendritic Cells
    5.3. d) Natural Killer Cells
    5.4. The Complement System
    5.5. The Specific Immune Defense
    5.5.1. Key Players of the Adaptive Immune Response
    5.5.1. a) Development and Maturation of Lymphocytes
    5.5.1. b) Humoral and Cellular Defense Mechanisms
    5.5.1. c) Migration and Distribution of Lymphocytes
    5.5.1. d) Structure of the Lymphatic Organs
    5.5.2. Naive B and T Cells: The Diversity of the Immune Response
    5.5.3. The Role of Antigen-Presenting Cells (APCs)
    5.5.3. a) Antigen Presentation via MHC-II Molecules
    5.5.3. b) Antigen Presentation via MHC-I Molecules
    5.5.3. c) Dendritic Cells Migrate to the Lymph Nodes
    5.5.4. The Importance of Lymph Nodes for the Adaptive Immune Response
    5.5.5. Recognition Phase
    5.5.6. Activation Phase
    5.5.6. a) T Cell Activation
    5.5.6. b) B Cell Activation
    5.5.7. Effector Phase
    5.5.7. a) T Helper Cells
    5.5.7. b) Cytotoxic T Cells
    5.5.7. c) Plasma Cells
    III – Third Line of Defense: The Antibodies
    5.5.8. Types of Antibodies
    5.5.8. a) IgM – The First Antibody
    5.5.8. b) Class Switching (Isotype Switching) to IgG
    5.5.8. c) IgA – The Protective Barrier of Mucous Membranes
    5.5.8. d) Mucosal Immunity: Why IgG Is Unsuitable for This
    5.5.9. The Action Phase of Antibodies
    5.5.10. Regulatory T Cells and Their Role in the Immune System
    5.5.11. Switch-Off Phase
    5.5.12. Immunological Memory
    5.6. Summary
    6. Hidden Defense – The Power of Cross-Immunity
    7. Key takeaways
    8. Closing words

    1. A Look Beneath the Skin – A Journey Within

    The organism, the living body of a human being, is a fascinating construct that functions on multiple levels of organization. This organizational structure is the invisible bond that connects the cells, weaves the tissues, and shapes the organs.

    Fig. 1: The organism is the highest level of organization.

    To illustrate the complex interplay, let’s zoom in, starting with a look at the organ system level.

    Organism ➔ Organ systems

    Organ systems are essential units in the human body that combine structure and function. The most important organ systems include the cardiovascular system, the respiratory system, the digestive system, the nervous system, the endocrine system (hormone system), the immune system, the urinary system and the reproductive system. Each of these systems fulfils a unique function that contributes to the overall function of the organism.

    Fig. 2: Organization level: Organ systems

    The digestive system is responsible for the digestion and absorption of nutrients. The task of the respiratory system is to take in oxygen and remove carbon dioxide. The cardiovascular system moves blood around the body to transport nutrients and oxygen to the cells and remove waste products.

    An organ system consists of a single organ or a group of organs that are closely connected. When we zoom in closer, we can examine the individual organs.

    Organism ➔ Organ systems ➔ Organs

    Organs are important parts of the body that perform specific tasks. Each organ has its own distinct shape and function. The various organs work together like a well-coordinated team. Examples of organs include the heart, lungs, liver, and brain.

    Fig. 3: Organization level: Organs

    The heart pumps blood through the body, while the lungs are responsible for gas exchange. Among many other tasks, the brain controls breathing and the heartbeat. The stomach grinds and mixes food, the intestine extracts nutrients from food and the liver aids digestion and detoxifies.

    Organs are made up of different tissues that are closely connected and work together to support the function of the organ. When we zoom in even further, we see the tissues that make up the organ.

    Organism ➔ Organ systems ➔ Organs ➔ Tissues

    Different tissues in the body fulfil different tasks and are tailored to the needs of the organs they support. By working together, they enable a variety of physiological processes, including movement, sensory perception, digestion and immune defence.

    There are four main types of tissues in the human body: muscle tissue, connective tissue, epithelial tissue, and nervous tissue.

    Fig. 4: Organization level: Tissues

    To stay with the example of the heart, muscle tissue enables the pumping of blood throughout the body, while nervous tissue controls the electrical signals that regulate heart action. Connective tissue provides structural support and connects the different parts of the heart, while epithelial tissue lines and protects the inner surfaces of the heart.

    In the lungs, epithelial tissue facilitates gas exchange. Connective tissue supports the structure and connects the various tissue components. The smooth muscle tissue in the walls of the airways allows for the regulation of airflow. Finally, nervous tissue transmits signals to the brain to control the breathing movements.

    Tissues are made up of a variety of cells that come together to perform a specific task. When we zoom in even closer, we can recognize the individual cells.

    Organism ➔ Organ systems ➔ Organs ➔ Tissues ➔ Cells

    Cells are the fundamental building blocks of tissues. They are often specialized for specific functions within the tissue. They can have different shapes, sizes, and structures, adapted to their respective functions. For example, cells in muscle tissue are specialized for contraction, while cells in epithelial tissue are specialized for protection and absorption.

    Fig. 5: Organization level: Cells

    In addition to the specialized cells that perform specific tasks in the tissue, there is also a special type of cell: stem cells. Unlike other cells in the body, stem cells have the remarkable ability to transform into many different cell types. They are like the „blanks” of the body – not yet committed to a specific task and full of possibilities. When the body needs them, stem cells can become muscle cells, nerve cells, or immune system cells.

    Stem Cells

    Basically, there are two types of stem cells: embryonic and adult stem cells. Embryonic stem cells are found in the early stages of an embryo, when it is just beginning to develop. These cells have the unique ability to differentiate into virtually any cell type in the human body. They are like the building blocks from which all parts of the body can be constructed.

    In the adult body, on the other hand, there are adult stem cells. They are present in various tissues and organs. In contrast to embryonic stem cells, adult stem cells cannot become every cell type in the body. They can only transform into the cell types found in the tissue from which they originate. For example, there are skin stem cells in the skin or liver stem cells in the liver.

    What makes these stem cells so special is their ability to repair. If cells in the body are damaged or dead, these stem cells can migrate to this location and ‘build’ new, healthy cells to replace the damaged ones.

    Stem cells can divide continuously. This ensures that there is always a supply of stem cells that can differentiate (transform) into the cells the body needs. For example, if liver cells are damaged, liver stem cells can step in, divide and form new, healthy liver cells.

    Adult stem cells play an important role in keeping our bodies healthy by producing new cells when needed and repairing damaged tissue.

    Cells in tissues communicate and interact with each other via complex signalling pathways and molecules. This communication is crucial for the coordination of cell activities and the maintenance of the function of the tissue as a whole.

    A multitude of processes take place in every cell that are crucial for the growth, development, and survival of the organism. Cells are the fundamental building blocks of all living organisms. All life, from the smallest microorganisms to the largest animals, is made up of these tiny yet incredibly complex units. Each cell is an astonishing world of its own, filled with molecules and chemical reactions that make life possible.

    One could say: Life begins with the cell.

    2. The Cell – The Fundamental Building Block

    Life on our planet is a fascinating miracle that begins on a microscopic level in the cell. These tiny building blocks of life are the basis for all living things.

    A human being develops from two tiny cells – the egg cell and the sperm cell. In the first few weeks after fertilisation, the embryo undergoes a process in which it turns from a fertilised egg cell into a multitude of cells from which all organs and tissues are formed. By the time the embryo is called a foetus – usually from the eighth week of pregnancy – most of the organs and tissues have been created. From then on, development is mainly focussed on the growth and maturation of these structures. It is estimated that a newborn baby consists of about 20 to 30 trillion cells, while an average adult human has about 30 to 40 trillion cells. A study published in the journal PNAS categorises the human body into 60 tissue systems, 400 major cell types and 1264 separate cell groups.

    A brief and concise introduction to cell structure comes from the American digital communication agency Nucleus Medical Media. [Spektrum] It is intended to prepare us for the following explanations.

    Although the human body is made up of many different cell types, they all share a similar basic structure. Each cell is surrounded by a protective covering, the cell membrane. Inside the cell, in a gel-like substance called cytoplasm, there are many small, specialized structures known as organelles. One can think of these organelles as tiny machines or workshops within the cell, each performing a specific task.

    One of these important organelles is the nucleus. The nucleus acts like the control center of the cell – it contains the genetic information (DNA) and provides instructions to the other organelles on how to function. There is one exception: red blood cells. These cells are so specialized for their task that they no longer have a nucleus.

    Fig. 6: The (animal) cell
    Each cell organelle performs specific tasks.

    Nucleus: The nucleus stores the genetic information of the cell (DNA) and controls all the activities of the cell. It is surrounded by a protective layer (cell membrane).
    Nucleolus: The nucleolus is a small structure within the nucleus. This is where ribosomes (molecular workshops) are produced, which are necessary for protein production.
    Ribosomes: These small structures produce proteins that are essential for many processes in the cell. They can either float freely in the cytoplasm or be attached to the endoplasmic reticulum.
    Endoplasmic Reticulum (ER): The ER is a network of tubules within the cell that transports proteins and lipids (fats) and also partially produces them.
    Golgi Apparatus: The Golgi apparatus acts like a dispatch center. It packages and sends proteins and lipids (which come from the ER) to the correct locations within the cell or outside of it.
    Mitochondria: These organelles are often referred to as the ‘power stations’ of the cell because they produce the energy that the cell needs to function.
    Lysosomes: Lysosomes act like the cell’s garbage disposal. They contain enzymes that break down old cell components and waste materials.
    Cytoskeleton: The cytoskeleton is a network of protein fibers that gives the cell its shape, stabilizes it, and also facilitates movement.

    Life, as we understand it, fundamentally requires three basic elements. First, a cell membrane that separates the interior of the cell from the external environment. Second, a metabolism is necessary to extract energy from the environment. And third, genetic information is needed to control and regulate vital processes. All living organisms are based on these three principles: cell membrane, metabolism, and information, which must come together to enable life. In this context, the information contained in DNA is the most essential ingredient for life. [Where does life come from? – a documentary in German language]

    Hidden in the depths of the cell lies DNA – the secret of life. It reveals itself as an impressive weave of molecules. These molecules carry the genetic code that determines the diversity and complexity of life. This is why DNA is often referred to as the book of life, as it contains the instructions for the development and functioning of every organism on our planet. By reading the DNA, proteins are produced, which are the actual executors of these instructions. Proteins shape structures, catalyze reactions, and transmit signals that enable life in all its forms. They are the building blocks of all living things and the tools that bring us to life.

    From cells to DNA to proteins – life is a breathtaking interplay of molecules and processes that give rise to an infinite variety of forms and functions. In every tiny particle that makes up life lies a deep fascination and an immeasurable wonder.

    DNA explanation

    DNA, or deoxyribonucleic acid, is a biomolecular structure that functions as genetic material in the cells of all living organisms and is located in the nucleus of each cell. It stores all genetic information, serving as the complete blueprint and instruction manual for the structure and function of our bodies.

    Fig. 6-A: DNA contains the genetic information.

    The DNA is structurally similar to a rope ladder. It consists of two long sides that represent the „strands” of DNA. Each „rung” of the ladder is made up of two nucleotides, the chemical building blocks of DNA, which consist of a base, a sugar (deoxyribose), and a phosphate group. The base pairs function as the rungs, while the strands of DNA hold the ladder-like structure together, alternating between sugar and phosphate.

    Fig. 6-B: Nucleotides are the basic building blocks of DNA.

    The two nucleotide chains are twisted around their own axis in a helical shape. This structure can be imagined like a twisted ladder or spiral staircase. In biology, this spiral is called the DNA double helix (double because there are two nucleotide chains – double is indeed better). This three-dimensional structure not only gives DNA stability but also saves space. Because if you were to completely unroll the DNA of a human cell, it would measure a remarkable two meters long – life literally hangs by a pretty long but incredibly thin thread!

    In DNA, there are four different types of bases: adenine (A), cytosine (C), guanine (G), and thymine (T). These bases always pair in the same way, with adenine (A) binding to thymine (T) and cytosine (C) binding to guanine (G). This binding is complementary, with each DNA strand representing the negative version of the other strand.

    The arrangement of these base pairs forms the genetic code, which carries the information for the production of proteins that are necessary for the structure, function and regulation of the body cells, tissues and organs of an organism.

    Each gene is a specific segment of DNA that contains the instructions for the formation of a particular protein. Thus, DNA acts as the „cookbook” of life, determining the development and function of an organism and being responsible for the inheritance of traits from one generation to the next. With each cell division, the DNA is copied and passed on to the new cells, ensuring that genetic information is transmitted from generation to generation.

    Mutations in the DNA sequence can lead to changes in the structure and function of proteins, which in turn can affect the appearance, health, and behavior of an organism. Some mutations can cause diseases, while others may have no noticeable effects or even be beneficial.

    3. Proteins – The Building Blocks of Life

    Proteins, which are created by reading the DNA, are the true architects of life. They perform a wide variety of essential functions in the body and are responsible for almost all biological processes. On one hand, proteins serve as structural building blocks and form the foundation for cells, tissues, and organs. They give cells their shape and strength, enabling them to carry out their functions properly.

    In addition, proteins are also involved in enzymatic reactions that drive metabolism and regulate vital chemical processes in the body. Furthermore, proteins serve as messengers, enabling communication between cells and tissues. For example, hormones are proteins that transmit important signals throughout the body and control a wide range of physiological responses.

    In addition to their structural, enzymatic, and signaling roles, proteins also contribute to immunity by acting as antibodies, protecting the body from diseases and infections. They recognize and bind to foreign substances such as bacteria and viruses, marking them for destruction by the immune system.

    Proteins account for up to 40% of the volume of the cytoplasm. So far, there is no exact figure for how many different proteins the human body can produce. Scientists estimate that there are about 20.000 different proteins in the human body, but some studies suggest that there could be even more. The following schematic representations of different proteins are taken from an animation by BioVisions at Harvard University. A real image of a protein can be seen here.

    Fig. 7: Schematic representation of proteins [BioVisions]

    But how and where are these all-rounders created?

    4. From Code to Protein – Cellular Mechanisms

    4.1. From Signals to Actions
    4.2. The Protein Biosynthesis
    4.2.1. Transcription
    4.2.2. Translation
    4.3. The Protein

    4.1. From Signals to Actions

    Amid the bustling activity within the cell, crucial processes take place that sustain and enable life. One such process is protein synthesis, the building blocks of life. This complex task requires precise coordination and involves a series of steps that occur harmoniously within the cell. These cellular processes are regulated and orchestrated by the cell’s regulatory system.

    The regulatory system detects external signals or changes within the cell to determine when there is a need for specific proteins. To produce the required proteins, the regulatory system activates so-called transcription factors. These transcription factors can be viewed as a type of production assistants, of which there is a great variety within the cell – estimated to be in the thousands. Each of them has specific permissions and a precise task to carry out. Transcription factors themselves are regulatory proteins.

    Activated specific transcription factors now make their way to the nucleus, the location where the book of life – DNA – is found. This book contains all the information about the proteins that the cell can produce, encoded in thousands of genes. Therefore, it is a very precious book because without the book of life, the cell does not know how to produce the proteins. And without proteins, the cell cannot exist. The book of life is kept in a secure place, the nucleus, to ensure it is not damaged. You can imagine this secure location as a vault that can only be accessed with a valid access code.

    Fig. 8: DNA is located in the nucleus.

    The nuclear membrane is the security barrier that surrounds the nucleus. It contains tiny nuclear pores that act as gatekeepers. This allows the nucleus to control who can enter or exit. Only those who can identify themselves and present the appropriate recognition signal are allowed to pass through the nuclear pores. [„Rush hour” at the nucleus, „How wriggling tentacles protect our genetic material.”]

    Fig. 9: Activated transcription factors on their way into the nucleus

    The activated transcription factors can pass through the nuclear pores and carry out their tasks in the nucleus. There, they specifically search for particular DNA sequences near the starting point of the target gene, known as the promoter. These DNA sequences serve as anchor points where the transcription factors can bind to activate (or suppress) the transcription of the corresponding genes. By binding the transcription factors to these specific sites, RNA polymerase is attracted, thereby initiating the process of protein biosynthesis.

    Fig. 10: Activated transcription factors bind to the promoter region of the target gene.

    4.2. The Protein Biosynthesis

    The process of protein production is called protein biosynthesis and it takes place in two sub-steps, transcription and translation.

    Difference between DNA and RNA

    The difference between DNA and RNA is crucial for understanding how life functions at the molecular level.

    DNA

    DNA stands for deoxyribonucleic acid and is the molecule that contains all the genetic information of an organism. You can think of DNA as a recipe book containing all the instructions a cell needs to produce proteins and thus fulfil various tasks in the body.

    Important Properties of DNA:

    Structure: DNA has a double helix structure, i.e. it consists of two long strands that look like a twisted ladder.
    Base Pairs: DNA is composed of four building blocks known as bases: adenine (A), thymine (T), guanine (G), and cytosine (C). The bases always form specific pairs: adenine (A) pairs with thymine (T), and guanine (G) pairs with cytosine (C).
    Function: DNA stores all the instructions that a cell needs in the long term. It is stable and hardly changes.

    Fig. 10-A: Difference between DNA and RNA

    RNA

    RNA stands for ribonucleic acid and has a structure similar to DNA, but it has some important differences. RNA is used as a „working copy” of DNA when a specific gene needs to be read and translated.

    Important Differences to DNA:

    Structure: RNA is usually a single strand, while DNA consists of two strands.
    Bases: RNA uses almost the same building blocks as DNA, but there is one small difference: instead of thymine (T), RNA contains the base uracil (U).
    Sugar: The sugar found in RNA is ribose, while DNA contains deoxyribose. This small difference makes RNA somewhat less stable and more short-lived than DNA.

    Why is there mRNA?

    mRNA stands for messenger RNA. It is essentially a copy of a specific section of DNA and is needed to convey the instructions from DNA for protein synthesis. Here are the reasons why mRNA is necessary:

    DNA protection: The DNA remains in the nucleus because it is very valuable and sensitive. It is not used directly to produce proteins. Instead, a copy is made in the form of mRNA, which is then transported to the cell’s „factories” (the ribosomes) to produce proteins.

    Working copy: The mRNA is a temporary copy of a gene. It is degraded after fulfilling its purpose. This makes RNA perfectly suited for short-term tasks, while DNA remains permanent and unchanged in the nucleus.

    Why does the mRNA differ in one base (uracil instead of thymine)?

    The transition from thymine (T) in DNA to uracil (U) in RNA is evolutionarily driven and is related to the function of the two molecules:

    Stability: Thymine is chemically more stable than uracil, which is why it is found in DNA. DNA must remain stable throughout the life of an organism in order to preserve the genetic information.

    Efficiency: Uracil is somewhat easier to produce than thymine and is completely sufficient for the short-term tasks of RNA. Since RNA exists only for a short time and is quickly degraded, it does not need to be as stable as DNA. Therefore, uracil is a more energy-efficient solution for RNA.

    This division of labour means that the DNA remains protected and unchanged, while the RNA takes over the necessary tasks as a flexible working copy.

    4.2.1. Transcription

    The process of converting DNA into RNA is called transcription. An enzyme, RNA polymerase, is responsible for the production of RNA. An enzyme is a protein that accelerates biochemical reactions in the body.

    Once the transcription factors have bound to the promoter, they act as a platform or anchor point for the RNA polymerase. It places itself on the transcription factors or in their immediate vicinity and initiates the process.

    Fig. 11: RNA polymerase attaches itself to the transcription factors.

    This begins with the unwinding of the DNA double helix, making the DNA sequence accessible. RNA polymerase moves along the DNA sequence and reads it.

    Fig. 12: Transcription

    During this process, RNA polymerase synthesizes an RNA strand using RNA nucleotides, the building blocks of RNA. The polymerase forms complementary base pairs between the RNA nucleotides and the bases of the DNA sequence. In this pairing, adenine (A) pairs with uracil (U), and cytosine (C) pairs with guanine (G). The difference from DNA is that in the RNA copy, the base thymine (T) is replaced by the base uracil (U), which is a characteristic feature of RNA.

    Once a reading step is completed, RNA polymerase closes the DNA behind it. The reading process ends at the terminator, the section at the end of the target gene. The produced RNA and the polymerase then detach from the DNA. In this process, the DNA, the „precious book of life”, remains unchanged and undamaged.

    Why is synthesis always in the 5′-3′ direction?

    DNA consists of two strands that run in opposite directions. One strand runs in the 5′ to 3′ direction, while the other runs in the 3′ to 5′ direction. These two strands are complementary to each other.

    The RNA polymerase binds to the template strand (mold strand), which runs in the 3′-5′ direction, and reads it in that direction. Meanwhile, it synthesizes a new RNA strand in the 5′-3′ direction by adding new RNA nucleotides to the 3′ end of the growing strand.

    What do 5‘ and 3’ mean?

    To understand the terms 5‘ and 3’, you need to look at the structure of the sugar in a nucleotide (see figure below). Nucleotides are the chemical building blocks of DNA, each consisting of a base (A,C,G or T), a sugar (Z) and a phosphate group (P). The sugar in DNA is deoxyribose, a molecule with five carbon atoms (C), which are numbered as follows:

    1′: Here, the base (A, T, C, or G) is attached.
    2′: It carries only a hydrogen atom (-H) in DNA and no hydroxyl group (-OH) as in RNA. This missing OH group gives deoxyribose its name (‚deoxy‘-ribose, since ‚deoxy‘ means without oxygen).
    3′: A hydroxyl group (-OH) is located here, which is important for the addition of new nucleotides during synthesis.
    4′: It connects the ring of the sugar molecule to the 5′ carbon.
    5′: Carries the phosphate group that links the nucleotide to the next one.

    Fig. 12-A: Molecular structure of DNA
    (A,C,G,T – bases, S – sugar, P – phosphate group, C – carbon atom)

    Why does the synthesis only take place in the 5‘-3’ direction?

    The RNA polymerase can only add new nucleotides to the 3′ end of the growing strand because a hydroxyl group (-OH) is present there. This OH group enables the chemical reaction in which the phosphate group of the new nucleotide is bound to the strand. As the 5‘ position of the new nucleotide is already occupied by a phosphate, the chain extension can only take place in the 5’-3′ direction.

    How does reading and synthesizing work?

    The RNA polymerase moves along the template strand of the DNA in the 3‘-5’ direction. As it does so, it adds complementary RNA nucleotides to the new RNA strand, which grows in the 5‘-3’ direction. The new nucleotides are always attached to the free 3′-OH group of the growing strand.

    Detailed information on this topic can be found here and here.

    The resulting RNA is a copy of the original DNA code.

    Fig. 13: RNA is a copy of DNA.

    The RNA that is directly produced from transcription is called pre-mRNA and must undergo further processing steps to become mature mRNA, which is ready for translation. This processing includes splicing, where introns (non-coding regions of a gene) are removed and exons (coding regions of a gene) are joined together.

    Introns and exons are not constant but variable, and they play an important role in gene regulation and diversity. This means that depending on the type of protein that needs to be produced, different exons can be combined and introns removed. Through this process, cells can produce a variety of proteins that perform different functions.

    Additionally, a 5′-cap is added to the 5′-end of the mRNA, and a poly-A tail (a series of adenine nucleotides) is added to the 3′-end.

    Fig. 14: Modification of pre-mRNA into mature mRNA
    The addition of the 5′-cap and the poly-A tail to mRNA serves important functions.

    The 5′-cap and the poly-A tail ensure the stability of the mRNA, enable its safe transport and ensure that it is efficiently utilised for protein production.

    5′-Cap

    Protection against degradation: The 5‘-cap is a modified guanine base that is attached to the 5’-end of the mRNA. It protects the mRNA from degradation. Without this protection, the mRNA could be rapidly degraded before it reaches translation.

    Facilitation of transport: The 5′-cap also assists in the transport of mRNA from the nucleus to the cytoplasm. It is recognized by specific transport proteins that guide the mRNA through the nuclear pores into the cytoplasm.

    Initiation of translation: The 5′-cap is crucial for the recognition and binding of mRNA to the ribosomal subunit, which is necessary for the initiation of translation. Without the cap, the mRNA cannot be efficiently recognized by the ribosome.

    Poly-A-tail

    Stability of the mRNA: The poly-A tail consists of a series of adenine nucleotides attached to the 3′ end of the mRNA It protects the mRNA from degradation by enzymes that break down RNA from its 3′ end. Longer poly-A tails extend the lifespan of the mRNA in the cytoplasm, leading to more efficient protein production.

    Regulation of Translation: The poly-A tail also contributes to the regulation of translation. It controls the frequency of mRNA translation by influencing the interaction with ribosomes and other proteins necessary for translation.

    Stability during Translation: The poly-A tail can help maintain the mRNA in a specific spatial conformation that is necessary for efficient translation.

    The mature mRNA, which contains the genetic blueprint for the protein to be produced, diffuses through the nuclear pores into the cytoplasm of the cell, where it is recognized by the ribosomes. This initiates the next step – translation.

    Fig. 15: The mRNA leaves the nucleus.

    Biotech Made Easy offers a short visualisation of the transcription process, which makes the process easy to understand.

    Original source: Biotech made easy (as of August 2024)

    Another short animation of the transcription comes from the DNA Learning Centre. It shows the process in real time.

    4.2.2. Translation

    Translation is the process by which the genetic information stored in the mRNA is converted into a sequence of linked amino acids to form proteins. This important transformation takes place at the ribosomes, the protein factories of the cell. The ribosomes act as machines that read the mRNA and arrange the amino acids according to the instructions of the mRNA.

    In eukaryotes like humans, two types of ribosomes are distinguished: free ribosomes and bound ribosomes (see Fig. 15). A significant portion of the ribosomes is found freely in the cytoplasm, while others are bound to the membrane of the endoplasmic reticulum (ER). The ribosomes attached to the ER produce proteins that are either intended for export from the cell or for incorporation into the cell membrane. Both free and membrane-bound ribosomes have a similar structure and function. For our further consideration, we will focus on the free ribosomes.

    The ribosome binds to the mRNA and then moves along the mRNA sequence from the 5′ end to the 3′ end. During this process, the mRNA slides through the ribosome like a conveyor belt and is scanned step by step. Three consecutive bases, known as codons, are read at a time. When the ribosome reaches the start codon (AUG), translation begins.

    During translation, the ribosome reads each codon on the mRNA and assigns it a corresponding transfer RNA (tRNA) with the appropriate amino acid. The tRNA carries a specific sequence of three nucleotides, known as an anticodon, which is complementary to the codon of the mRNA.

    Fig. 16: The ribosome moves along the mRNA, reading codons to which complementary tRNAs carrying amino acids bind. These tRNAs supply the appropriate amino acids for the growing polypeptide chain.

    When the anticodon of a tRNA pairs with the corresponding codon of the mRNA, the amino acid carried by that tRNA is linked to the growing peptide chain. Peptides are short chains of amino acids, and these amino acids are the building blocks of proteins. This process repeats as the ribosome moves along the mRNA, scanning each codon.

    The amino acids that are linked together are connected by peptide bonds, forming the peptide chain of the emerging protein. Translation ends when the ribosome reaches a stop codon (UAA, UAG, or UGA) on the mRNA. At this point, the newly formed peptide chain – the unfinished protein – is released, and the ribosome detaches from the mRNA.

    Fig. 17: The ribosome forms a peptide chain.

    Here, too, there is a brief and clear visualisation of the Biotech Made Easy translation process.

    Original source: Biotech made easy (as of August 2024)

    4.3. The Protein

    The protein initially exists as a chain of a specific sequence of amino acids. For the newly synthesized protein to become functional, it must fold into the correct three-dimensional shape. The spatial arrangement of the amino acid chain – its specific three-dimensional form – is crucial for the protein to fulfill its role in the body, whether as an enzyme (a molecule that accelerates chemical reactions), a structural protein (which gives cells and tissues their shape and strength), or a hormone (a signaling molecule that regulates various bodily functions).

    Every protein has its own blueprint that determines how it will fold to fulfill its function. The amino acid chain forms the primary structure, from which repeating patterns arise, referred to as the secondary structure. Electrostatic attractions and other chemical bonds then bring different parts of the protein together, resulting in its final shape – the tertiary structure. Sometimes, multiple proteins even form complex structures known as quaternary structures.

    Fig. 18: Schematic representation of the primary, secondary, tertiary and quaternary structure of proteins.

    The path to proper folding is not always straightforward. Sometimes proteins can misfold, especially when they are too close to each other. In these moments, helpers come into play – the chaperones, which are proteins themselves. They protect the peptide chain from unwanted interactions and facilitate the folding process.

    However, some proteins are too large to fold on their own. Here again, chaperones come into play, guiding the proteins to another helper – a cylindrical structure called a chaperonin. In this secure environment, proteins can fold undisturbed. The fully folded proteins are now ready to begin their work inside or outside the cell.

    The video „Chaperones – Protein Folding” illustrates the process of protein folding in an engaging way.

    Errors in protein folding

    The process of protein folding is crucial for the biological functionality of the cell and is carefully regulated. A misfolded protein can lose its normal function or even become harmful. Errors in protein folding can have serious impacts on cellular processes and lead to various diseases. Examples include Amyloidosis, Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, and Huntington’s disease.

    The „Protein Folding Problem”

    The „protein folding problem” is one of the central puzzles of biology. It refers to the difficulty of predicting the three-dimensional structure of a protein based on the sequence of its amino acids. Proteins are made up of hundreds of amino acids that fold into complex spatial structures, and the DNA sequence alone does not provide direct information about this structure. The challenge of protein structure prediction lies in inferring the spatial arrangement of the amino acids from the genetic information. The magnitude of this challenge becomes apparent when considering that the number of theoretical possibilities for how a protein could fold before achieving its final 3D structure is enormous.

    Scientists from various disciplines have been working on solving this puzzle for more than 50 years. A groundbreaking development in this field is the creation of ‚AlphaFold‚ by Deepmind, an AI that handles protein structure prediction with unprecedented accuracy. This achievement could revolutionise the understanding of protein folding.

    Nevertheless, the exact process of protein folding is still not fully understood and remains a current area of research in biochemistry.

    Proteins: Their Lifespan and Regeneration

    Like any product, a protein has a limited lifespan. Once a protein has fulfilled its function or is damaged, it is broken down. This continuous process occurs in all cells of the body.

    A specialized enzyme called the proteasome is involved in this process. The proteasome cuts the protein into smaller fragments (peptides), which are then further broken down into individual amino acids. These amino acids can be reused to produce new proteins. This ensures that faulty or no longer required proteins are removed and the cell’s resources are utilised efficiently.

    Source: Myeloma UK

    Protein degradation and its connection to the immune system

    The degradation of proteins is an essential process that has far-reaching effects on various systems in the body, including the immune system. The specific role this process plays in the immune system will be discussed in more detail in the following chapters.

    5. The Body’s Shield – Our Immune System

    Our immune system is the impressive legacy of evolution. It is a fascinating micro-world that works in secret – an army of immune cells that have developed into masterpieces of adaptation over millions of years. These tiny fighters stand ready day and night to protect us from the countless threats that we often don’t even realise are there. They watch over us while we sleep, fight for us without us realising it, and are ultimately the reason why we can live and breathe.

    To ensure survival, all higher organisms have developed an immune system that fends off pathogens, prevents infections, or contains them. The immune system is composed of a variety of cells, tissues, and organs that work together to protect the body.

    The key components include white blood cells (leukocytes), which come in various forms and have different functions, as well as lymphatic organs such as the bone marrow, thymus gland, spleen, tonsils, and lymph nodes.

    Fig. 19: Components of the immune system

    In addition, the immune system has its own transport network, the lymphatic system, which carries lymph (a watery, slightly milky fluid) and immune cells through lymphatic vessels across the body, enabling them to quickly reach and combat infection sites.

    The interaction between immune cells is highly complex and will be simplified here. Although this presentation is already quite challenging, the actual processes in the body are even more intricate and not yet fully understood. To make this easier to grasp, we will focus on the key immune cells and their most important processes.

    5.1. Origin of Immune Cells
    5.2. Mechanisms of Immune Recognition: SELF vs. NON-SELF
    5.3. The Nonspecific Immune Defense
    5.4. The Complement System
    5.5. The Specific Immune Defense
    5.6. Summary

    The basic principle of the immune system is based on distinguishing between NON-SELF and SELF, a mechanism that is present from birth.

    To defend itself against invaders, the body must be able to differentiate between foreign microorganisms and its own tissue. Not everything foreign is dangerous, so the immune system also needs to distinguish between harmless foreign substances (such as dust, pollen, or food) and harmful ones. Anything that causes illness is considered dangerous to the body, meaning it is pathogenic. The term pathogens encompasses all foreign entities that can cause disease. Pathogens include bacteria, viruses, fungi, and parasites.

    The immune system recognizes so-called antigens based on the structures on the surface of pathogens or other foreign substances. The term ‚antigen‘ means ‚antibody generating‘. These antigens are typically proteins or polysaccharides and serve as „recognition markers” that signal to the immune system that a foreign body is present.

    The immune system’s response to anything NONSELF is an immune response. It involves a variety of processes aimed at eliminating the threat of foreign substances and maintaining the integrity of the body.

    The right balance between tolerance and defence reaction as well as the strength of the reaction are a real challenge for the immune system. This only works if the individual components of the immune system work together harmoniously.

    Throughout evolution, coordinated defense systems have developed to work together. In general, there is a distinction between the innate (nonspecific) and adaptive (specific) immune defenses. The innate immune system is the body’s first line of defense against pathogens. Specialized immune cells respond to threats based on a pre-programmed response. In contrast, the adaptive immune system is highly specialized and targets specific pathogens with precision, recognizing and eliminating them in a targeted manner.

    Before we dive deeper into the immune defense, let’s take a look at the origin of immune cells and the mechanisms the immune system uses to differentiate between foreign and self-cells. In this context, key terms and concepts will be introduced, which will be repeatedly referenced throughout the discussion.

    5.1. Origin of Immune Cells

    Blood cells and immune cells originate from hematopoietic stem cells in the bone marrow. These stem cells are the common source for both blood cells and immune cells, as immune cells are an essential part of the blood. The differentiation of these stem cells follows either the myeloid or lymphoid lineage, leading to the development of various cells involved in both the innate (nonspecific) and adaptive (specific) immune systems.

    In adults, blood formation (hematopoiesis) primarily occurs in the bones of the pelvis, sternum, ribs, and parts of the spine. These bones contain red bone marrow, which houses the stem cells that give rise to both blood and immune cells. In children, blood formation also takes place in the long bones of the arms and legs, such as the femur and humerus. As individuals age, this bone marrow is gradually replaced by fat-rich yellow bone marrow, causing blood formation to become mainly concentrated in the pelvis and spine.

    Fig. 19-A: All blood cells and immune cells develop from haematopoietic stem cells in the bone marrow.

    As shown in the illustration, immune cells develop from two main lineages:

    Myeloid Lineage
    This line leads to the formation of cells of the innate immune system, including:

    • Neutrophil granulocytes
    • Eosinophil granulocytes
    • Basophil granulocytes
    • Mast cells
    • Monocytes (which develop into macrophages and dendritic cells)

    Lymphoid Lineage
    This line forms the cells of the adaptive immune system:

    • T lymphocytes
    • B lymphocytes

    Natural killer cells also originate from the lymphoid lineage but are part of the innate immune system.

    Our blood

    On average, we adults have between 5 and 6 litres of blood in us. Blood is a fluid tissue that fulfils a variety of vital functions in the body. It consists of a liquid part, the blood plasma, and three solid components, the blood cells. Blood cells make up around 45 per cent of the total blood volume. There are three main types of blood cells: erythrocytes, thrombocytes and leucocytes. Each type of blood cell has specific functions.

    Fig. 19-B: Blood components

    Erythrocytes (red blood cells)

    Function: Transport of oxygen from the lungs to the tissues and return transport of carbon dioxide to the lungs.
    Proportion: Approximately 45% of the total blood volume (hematocrit).
    Quantity: Approximately 4.5 to 5.9 million cells per microliter of blood.
    Size: About 6-8 micrometres in diameter.
    Lifespan: About 120 days.
    Characteristics: Erythrocytes have no nucleus, which allows for more space for hemoglobin. The absence of a nucleus means that they cannot divide or synthesize proteins. Their unique structure and the properties of their cell membrane enable them to withstand the mechanical stresses of the bloodstream for a long time.

    Thrombocytes (platelets)

    Function: Important for blood clotting and wound closure. They form blood clots to stop bleeding.
    Proportion: Less than 1% of the total blood volume.
    Quantity: Approximately 150.000 to 450.000 platelets per microlitre of blood.
    Size: About 2-3 micrometres in diameter.
    Lifespan: 7-10 days.

    Leukocytes (white blood cells)

    Function: Combatting germs and pathogens, as well as forming antibodies.
    Proportion: Less than 1% of the total blood volume.
    Quantity: About 4.000 to 11.000 cells per microlitre of blood.

    Subgroups:

    Neutrophil granulocytes: 50-70% of leucocytes; part of the innate immune system and important for fighting bacterial infections. Lifespan: 5-90 hours in blood; 1-2 days in tissue. Size: 10-12 micrometres in diameter.

    Eosinophil granulocytes: 1-4% of leucocytes; part of the innate immune system and important in combating parasites and allergic reactions. Lifespan: 8-12 hours in blood; 8-12 days in tissue. Size: 12-17 micrometres in diameter.

    Basophil granulocytes: <1% of leukocytes; part of the innate immune system and involved in allergic reactions and the release of histamine. Lifespan: 1-2 days in the blood. Size: 10-14 micrometres in diameter.

    Lymphocytes: 20-40% of leucocytes; play a key role in the adaptive immune response. Lifespan: A few days to several years. Size: 6-10 micrometres in diameter for small lymphocytes and up to 15 micrometres for larger lymphocytes.

    Natural killer cells: 5-15% of lymphocytes; part of the innate immune system, responsible for killing virus-infected cells and tumour cells. Lifespan: Weeks to months. Size: 10-15 micrometres in diameter.

    Monocytes: 2-8% of leucocytes; precursor of macrophages and dendritic cells. Lifespan: 1-3 days in the blood; weeks to months in the tissue as macrophages or dendritic cells. Size: 15-20 micrometres in diameter.

    Mast cells: Although they do not circulate in the blood, mast cells in tissues (e.g. skin, mucous membranes) are important for the defence against parasites and play a key role in allergic reactions by releasing histamine and other mediators. Lifespan: Weeks to months in the tissue. Size: 10-16 micrometres in diameter.

    Blood plasma

    Proportion: About 55% of the total blood volume.
    Composition: Primarily composed of water (approximately 90 percent).
    Function: Transport of nutrients, waste products and hormones.

    5.2. Mechanisms of Immune Recognition:
    SELF vs. NON-SELF

    The distinction between SELF and NON-SELF is primarily made by specialized immune cells that specifically scan the surfaces of cells – both those of the body and of pathogens. Since cells neither have eyes nor ears, they must make contact to determine whether a protein belongs to a friend or foe. For this purpose, they are equipped with a variety of receptors.

    Body cells carry so-called SELF markers on their surface. These markers are specific molecules or receptors that are recognized by the immune system and are typically not attacked.

    Pathogens, on the other hand, possess specific structures on their surface that are not present on the body’s own cells. Similarly, mutated or damaged cells reveal themselves through changes on their surface. These structures can be interpreted as NON-SELF markers, prompting the immune system to trigger a defensive response.

    Fig. 20:  The immune system distinguishes between SELF and NON-SELF.

    But how do immune cells communicate with each other to ensure a coordinated response to threats? The answer lies in signaling molecules called cytokines and chemokines.

    Cytokines are small proteins that act like signaling beacons, controlling the behavior of immune cells. They regulate the growth, activation, and function of immune cells and play a crucial role in managing inflammatory responses. Depending on the situation, they can either amplify or dampen the immune response.

    Chemokines, on the other hand, direct the movement of immune cells throughout the body. They act as navigators, guiding immune cells to the site of infection or inflammation. In this way, they ensure that the body’s defenses are activated precisely where they are needed.

    SELF-Marker

    SELF-markers, also known as autoantigens, serve as identifiers for the body’s own tissues. During its development, the immune system learns to recognize and tolerate these markers in order to avoid autoimmune reactions. The immune system has several mechanisms in place to achieve this, with three important ones highlighted here:

    a) SELF-Marker: MHC Molecules
    b) SELF-Marker: CD47 Molecule
    c) SELF-Marker: Sialic Acid
    a) SELF-Marker: MHC Molecules

    An important example of SELF-markers are MHC molecules. The term MHC stands for Major Histocompatibility Complex and refers to special proteins on the cell surface that function as receptors. These receptors primarily present the body’s own protein fragments. By doing so, the cell signals to the immune system that it belongs to the body and does not pose a threat.

    However, MHC molecules can also present foreign protein fragments. These usually come from pathogens or diseased cells, such as cells infected by viruses. By displaying such foreign fragments on the cell surface, the immune system can recognize infected or abnormal cells and initiate an appropriate defense response.

    Major indicates the significant importance of these genes for immune recognition.
    Histocompatibility is composed of ‚histo‘ (tissue) and ‚compatibility‘, referring to how well tissues are compatible or acceptable between different individuals. MHC plays a crucial role in organ transplantation.
    Complex refers to the group of genes that work together to perform a complex function.

    There are two main classes of MHC molecules:

    MHC class I molecules are found on almost all nucleated cells in the body.
    MHC class II molecules are mainly found on specific immune cells.

    The following simplified graphic illustrates the difference between the two classes. Both MHC class I and MHC class II molecules are anchored in the cell membrane and present protein fragments (peptides) that serve as antigens. A structural difference is that MHC class I molecules have a single anchoring point in the cell membrane, while MHC class II molecules have two anchoring points.

    In general, MHC complexes serve the purpose of antigen presentation by providing the immune system with information about the state of the cell.

    Fig. 21:  MHC Molecules

    Antigen presentation

    MHC-I presents antigens that originate from inside the cell. As mentioned in section ‚4.3. The protein‘, cells continuously degrade old or damaged proteins. In the process, proteasomes break down these proteins into smaller fragments, so-called peptides. These peptides can originate from the body’s own proteins and signal to the immune system that the cell is healthy. However, if the cell is infected with a virus or otherwise becomes abnormal, the MHC-I molecule presents peptides from foreign or altered proteins. This alerts the immune system that the cell is potentially dangerous and needs to be eliminated.

    MHC class I molecules are expressed by all nucleated cells.

    Fig. 22:  MHC class I molecule

    On the left is a healthy cell presenting its own normal peptide via an MHC class I molecule. This indicates that the cell is healthy and not infected. The MHC-I molecule signals to the immune system that no action is needed. In the middle is a virus-infected cell, which also carries an MHC class I molecule but presents a foreign peptide derived from a virus. This viral peptide alerts the immune system that the cell is infected, potentially triggering an immune response. On the right is a cancer cell that presents a modified peptide through an MHC class I molecule. This peptide has been altered due to genetic mutations occurring during cancer development. It signals to the immune system that the cell is abnormal and should be removed.

    MHC class II, on the other hand, presents antigens that originate from outside the cell. MHC-II molecules are expressed only by specialized immune cells, such as macrophages, dendritic cells, and B cells. These cells engulf foreign material, such as bacteria or other pathogens, break it down into smaller fragments (antigens), and then present these on their cell surface. The antigens presented in this way activate specific immune cells that coordinate a targeted immune response.

    Fig. 23: MHC classe II molecules

    MHC molecules enable the immune system to differentiate between the body’s own cells and foreign or altered cells. This is crucial for protecting healthy cells and at the same time triggering an immune response against potentially harmful invaders or abnormal cells.

    The short animation on antigen presentation: MHC class I vs. MHC class II illustrates the relationships explained above.

    MHC molecules and their diversity

    What are MHC molecules?
    MHC molecules are special proteins on the surface of our cells. They help the immune system to differentiate between our own and foreign substances, such as pathogens. MHC molecules are formed by certain genes in our body.

    What are alleles?
    The genes that produce MHC molecules come in many different versions, known as alleles. Each person has a unique combination of alleles, which causes their MHC molecules to appear slightly different from one individual to another.

    Why are there so many versions?
    There are hundreds of different alleles within the population. This vast diversity helps the immune system recognize a wider range of pathogens. As a result, some people are better protected against certain diseases than others – which is an advantage from an evolutionary perspective. [Major Histocompatibility Complex]

    How do MHC molecules work?
    Each MHC molecule can bind small fragments of proteins, so-called peptides. These peptides are produced when proteins are broken down in the body. MHC molecules then present these peptides on the cell surface so that the immune system can recognise whether the cell is healthy or has been attacked by a virus or other pathogens.

    Why is this diversity important?
    The diversity of MHC molecules means that different people can bind and present different peptides. This makes it more difficult for pathogens to infect all people in the same way, as each person’s immune system responds differently to them.

    Organ transplantation and MHC molecules
    The diversity of MHC molecules is also the reason why finding compatible organ donors is challenging. If the donor’s MHC molecules do not match well with those of the recipient, the recipient’s immune system may recognize the new organ as foreign and attack it. Therefore, in organ transplantation, the MHC molecules of the donor and recipient must be carefully compared to reduce the risk of rejection.

    b) SELF-Marker: CD47 Molecule

    Another important SELF-marker on the surface of cells is the molecule CD47. This molecule acts as a ‚Don’t eat me‘ signal, meaning it prevents immune cells from destroying the cell.

    CD47 plays a crucial role in the regulation of the immune response and the protection of blood cells. In contrast to MHC class I molecules, which are only found on nucleated cells, CD47 is found on all cell types, including nucleus-free cells such as erythrocytes (red blood cells) and thrombocytes (platelets).

    CD47 binds to a receptor protein called SIRPα (Signal Regulatory Protein Alpha), which is present on the surface of immune cells. This binding sends a signal that prevents the immune cell from attacking the cell. This ensures that healthy, self-cells are not destroyed by the immune system.

    Fig. 24: An erythrocyte signals to the immune cell via CD47: Don’t-eat-me.

    If the CD47 marker is missing or not functioning properly, the cell can be recognized as „foreign” or „altered”. This leads immune cells to attack and eliminate these cells.

    Fig. 25: No Don’t-eat-me signal without CD47. When erythrocytes age and lose CD47, they are recognised and degraded by macrophages.

    CD47 molecules do not differ as much from person to person as MHC class I molecules do. They have a relatively conserved structure in most individuals, meaning there are fewer variations. This conservation is important because CD47 plays a fundamental role in immune regulation and cell interaction.

    For this reason, a blood transfusion generally works more smoothly than an organ transplant. In a blood transfusion, only a few antigens (such as blood group characteristics) need to be considered, while in an organ transplant, there is a high variability in MHC class I molecules, which can trigger a strong immune response.

    c) SELF-Marker: Sialic Acid

    Another significant SELF-marker on the cell surface is sialic acid. Sialic acids are a group of sugar molecules found on the surfaces of cells and play an important role in cell-to-cell communication. All of the body’s own cells carry sialic acid on their surface.

    Special receptors on the surface of immune cells can recognize and bind to sialic acids. These sialic acid-binding receptors are known as Siglecs (sialic acid-binding immunoglobulin-type lectins). When sialic acids bind to Siglecs, they send inhibitory signals into the immune cell, preventing it from attacking the cell. This mechanism protects the body’s own cells from attacks by the immune system.

    Fig. 26: Siglec receptor of the immune cell binds to the sialic acid of the body’s own cell.

    Combination of these SELF-markers

    A cell can carry MHC molecules, CD47, and sialic acid simultaneously on its surface. Each of these molecular groups serves an important function in marking the cell as self and protecting it from unnecessary immune responses. While MHC primarily serves the purpose of antigen presentation, CD47 and sialic acid ensure that cells are not attacked or eliminated by immune cells. Thus, these markers work together to efficiently regulate the immune system.

    5.3. The Nonspecific Immune Defense

    Our immune system continuously monitors the body for the presence of foreign substances and cell changes. As soon as something is recognized as a threat, the defense response is initiated. The nonspecific immune response is particularly fast, becoming fully activated within minutes to a few hours.

    This form of immune defense is not specialized for specific pathogens. „Nonspecific” means that a general standard response occurs to every recognized threat; pathogens are fought in the same way regardless of their type. The nonspecific immune system is present at birth, which is why it is also referred to as the natural or innate immune system. In the first step, the organism attempts to prevent or at least hinder the invasion of pathogens.

    I – First Line of Defense: Mechanical and Chemical Barriers
    II – Second Line of Defense: White Blood Cells
    5.3. a) Granulocytes
    5.3. b) Macrophages
    5.3. c) Dendritic Cells
    5.3. d) Natural Killer Cells
     I – First Line of Defense: Mechanical and Chemical Barriers 

    The first line of defense in our body against pathogens consists of mechanical and chemical barriers.

    Mechanical barriers

    Mechanical barriers include the skin and all mucous membranes. The skin, the boundary between the inside of the body and the outside environment, is our body’s most important defence against pathogens. It consists of several layers that prevent the penetration of pathogens. The outermost layer, the epidermis, renews itself regularly. Dead skin cells are constantly shed and replaced by new cells. This renewal process helps to remove microorganisms adhering to the skin.

    Mucous membranes are found in many areas of our body, including the nose, mouth, throat, lungs and digestive tract. They produce mucus, a sticky substance that traps and removes pathogens. For example, the mucus in our nose traps dust and microorganisms that we breathe in, preventing them from entering our lungs.

    Fig. 27:  Mucous membrane of the respiratory tract

    Mucosal cells have many cilia, which lie next to each other like a dense lawn. Goblet cells constantly produce mucus that surrounds the cilia and covers the surface of the mucous membrane. Foreign particles such as viruses, bacteria or dust easily become trapped in this viscous layer of mucus.

    The cilia move in a wave-like manner to transport foreign particles trapped in the mucus out of the airways. Similar to a conveyor belt, the cilia push the mucus layer, along with the foreign bodies, towards the throat. There, the secretions can be expelled through sneezing or coughing, or swallowed. This self-cleaning mechanism is constantly active, ensuring that the respiratory tract remains clear of harmful substances and pathogens.

    Chemical barriers

    In addition, chemical substances such as acids, enzymes, or mucus hinder the attachment of pathogens. Certain areas of our body, such as the skin and the stomach, have an acidic environment. This acidic milieu is unfavorable for many microorganisms and can inhibit their growth or kill them. Particularly in the acidic environment of the stomach, many pathogens are rendered harmless.

    Enzymes are proteins that catalyze chemical reactions. Some enzymes in our body, such as lysozyme found in our saliva and tears, can break down bacterial cell walls, thus killing them. As mentioned earlier, our mucous membranes produce mucus that traps pathogens. However, mucus also serves as a chemical barrier. It contains antimicrobial substances such as immunoglobulins, which can neutralize pathogens.

    Although the mechanical and chemical barriers of our body are highly effective in preventing the entry of pathogens, some pathogens can still overcome these barriers. Once pathogens have breached these initial defenses, our body activates another line of defense.

     II – Second Line of Defense: White Blood Cells 

    If the pathogens manage to overcome the first line of defence and enter the body, they do not go unnoticed for long. Specialised immune cells such as granulocytes, macrophages, dendritic cells and natural killer cells are ready to defend the body. These cells belong to the white blood cells, the leukocytes.

    Granulocytes, monocytes, and natural killer cells circulate in the blood and migrate into tissues when needed. When monocytes enter the tissues, they develop into macrophages or dendritic cells, which then reside in the tissue and carry out their immune functions.

    Fig. 28:  Leukocytes in the blood and tissue
    5.3. a) Granulocytes

    Granulocytes are a subgroup of white blood cells distinguished by their characteristic granules – small, grain-like structures in the cytoplasm. These granules contain various substances that are released during immune defense and other processes. The granulocytes include neutrophils, eosinophils, and basophils, each of which plays distinct roles in the immune system, particularly in fighting infections and managing allergic reactions. In this description, we will focus on neutrophils, as they make up 50-70% of leukocytes in human blood, making them the most abundant immune cells.

    Neutrophils, also known as neutrophil granulocytes, continuously circulate in the bloodstream and are among the first immune cells to respond to an infection. When pathogens invade the body, chemotactic signals are released, attracting neutrophils to the site of infection. In response, they exit the bloodstream and migrate into the tissue, where they can reach the infection site within minutes.

    Fig. 29:  Neutrophil granulocytes migrate to the site of infection.

    On-site, neutrophils identify pathogens using their pattern recognition receptors (PRRs), which detect specific pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) present on invaders like bacteria, viruses, and fungi. Their PRRs also recognize damage-associated molecular patterns (DAMPs), which are released by damaged or stressed cells. This dual recognition allows neutrophils to respond not only to invading pathogens but also to cellular damage within the body.

    Fig. 30: Neutrophil granulocyte binds to a bacteria.
    Pattern recognition receptors (PRRs)

    Pattern recognition receptors (PRRs) are a key component of the innate immune system. They are responsible for the rapid detection of pathogens and cell damage, triggering an immediate immune response. PRRs recognize specific molecular patterns associated either with pathogens or with cell damage. This recognition allows the immune system to quickly identify and respond to potential threats.

    These molecular patterns are divided into two main categories:

    Pathogen-associated molecular patterns (PAMPs): These molecules are typical for microorganisms such as bacteria, viruses, fungi and parasites, but not for human cells.

    Damage-associated molecular patterns (DAMPs): These molecules are released by stressed or damaged cells and signal a danger to the organism.

    PRRs can be divided into different classes, each of which specialises in different types of PAMPs and DAMPs:

    Toll-like receptors (TLRs)
    TLRs are specialized sensors located on the surface of immune cells such as macrophages, dendritic cells and neutrophils, as well as within their internal compartments. TLRs recognise a wide range of PAMPs:

    TLR1 and TLR2: These two often work together and recognise certain molecules on the surface of bacteria.
    TLR3: This receptor recognises viral RNA, i.e. the genetic material of viruses.
    TLR4: It recognises lipopolysaccharides, which occur on the surface of many bacteria.
    TLR5: This receptor recognises flagellin, a protein found in the flagella of bacteria.
    TLR6: Often works together with TLR2 and also recognises molecules on bacteria.
    TLR7 and TLR8: Both recognise viral RNA, similar to TLR3.
    TLR9: It recognises DNA from bacteria and viruses that exhibit certain patterns.

    NOD-like receptors (NLRs)
    NLRs are intracellular receptors found in the cytoplasm of cells. They act like tiny sensors, constantly scanning for signs of infection or cellular damage. These receptors detect specific molecules either originating from pathogens, such as bacteria, or from within our own cells when they are stressed or damaged.

    RIG-I-like receptors (RLRs)
    RLRs are also intracellular receptors that are localised in the cytoplasm of cells. They are specialised in recognising viruses that have entered the cell.

    C-type lectin receptors (CLRs)
    CLRs are located on the cell surface of immune cells such as macrophages and dendritic cells. They recognise certain sugar structures (carbohydrates) on the surface of pathogens, particularly fungi.

    Neutrophil granulocytes eliminate intruders or diseased cells by engulfing and destroying them. They encapsulate the pathogen in a membrane-bound vesicle called a phagosome. After ingestion, the granules of the neutrophils fuse with the phagosome. These granules contain enzymes and antimicrobial substances that degrade and kill the enclosed pathogen. The remaining breakdown products that cannot be reused are then released from the neutrophils. These remnants can be taken up and further processed by other immune cells, such as macrophages.

    Fig. 31: Phagocytosis: Neutrophil granulocyte engulfs and digests bacteria.

    In addition, neutrophils also eliminate damaged tissue cells. This entire process, in which cells engulf and degrade foreign bodies and damaged cells, is referred to as phagocytosis.

    The term phagocytosis originates from Greek and consists of two parts: phagein, meaning „to eat” or „to engulf”, and kytos, meaning „cell” or „container”. Thus, the term „phagocytosis” literally describes „cell-eating” or „engulfing by cells”. For this reason, cells that perform this function are also referred to as phagocytes.

    Neutrophils have a relatively short lifespan and often die after phagocytosis and digestion of pathogens. This process, called apoptosis (programmed cell death), helps to regulate the inflammatory response.

    When many neutrophils die in an infected area, their remains accumulate along with the digested pathogens and cellular debris. This accumulation of dead cells and degradation products forms pus. Pus is a viscous, yellowish or greenish fluid that is often found in infected wounds or abscesses. Apoptotic (dead) neutrophils are also absorbed and digested by macrophages, cleansing the surrounding tissue and promoting healing.

    In some cases, neutrophils release net-like structures consisting of DNA and antimicrobial proteins. These NETs (Neutrophil Extracellular Traps) trap pathogens and kill them by preventing their movement and replication.

    Fig. 32: Neutrophil granulocyte releases ‚Neutrophil Extracellular Traps‘ (NETs) and then dissolves.

    This short animated video shows very nicely how neutrophils work.

    Neutrophils work closely with other immune cells such as macrophages and dendritic cells by releasing signalling molecules. These signalling molecules, such as chemokines and cytokines, recruit and activate other immune cells to the site of infection. Neutrophils thus make a significant contribution to the inflammatory response. Their rapid response and ability to effectively combat pathogens makes them a crucial component of the innate immune response.

    5.3. b) Macrophages

    Macrophages are large phagocytic cells, with their name derived from the Greek word ‚macro‘ meaning large and ‚phage‘ meaning eater. There are different types of macrophages.

    Resident macrophages are firmly anchored in the tissues. Recruited macrophages arise from the monocytes circulating in the blood. When monocytes come into contact with cytokines (signaling molecules), they migrate from the blood into the tissue and differentiate into macrophages there. Once in the tissue, they often remain stationary while patrolling for pathogens and dead cells.

    Fig. 33: Recruited macrophages

    Macrophages recognize pathogens through specific proteins on their surface called pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). These surface proteins of pathogens fit into the pattern recognition receptors (PRRs) of macrophages like a key fits into a lock. Similarly, cell debris or dead cells produce specific „eat-me” signals, which are recognized by macrophages in the same way. Once the pathogen or cell debris is identified, the macrophage binds to it, envelops it with its flexible membrane, and initiates phagocytosis.

    Fig. 34: A macrophage recognises, binds and surrounds a pathogen for destruction.

    During phagocytosis, the macrophage absorbs the pathogen or cell debris by invagination and forms a membrane-enveloped vesicle, the phagosome. This phagosome fuses with a lysosome to form a phagolysome. In the phagolysome, the ingested particles are broken down by the digestive enzymes of the lysosome. Here you can see macrophages in action.

    Fig. 35: During phagocytosis, the pathogen is enclosed in a membrane-enveloped vesicle, the phagosome (1). The phagosome fuses with the lysosome (2), which contains digestive enzymes. In the resulting phagolysosome (3), the pathogen is broken down by the digestive enzymes.

    Phagocytosis is an ancient mechanism dating back to unicellular eukaryotes such as amoebae and provides a vivid example of how the immune system has evolved over millions of years.

    Phagocytosis: an ancient survival mechanism

    Phagocytosis is a good example of how the immune system has developed over millions of years.

    The history of phagocytosis goes back a long way and is closely linked to the evolution of life. Single-celled organisms such as amoebae have been using phagocytosis to ingest food for more than 100 million years. To detect their food, they have receptors that react to specific chemical substances released by bacteria or other potential food sources. Amoebae move towards these signals through a process called chemotaxis. They then enclose their prey with their cell membrane and form so-called food vacuoles in which digestion takes place.

    Amoebae are therefore excellent examples of the early users of phagocytosis. They are ancient life forms that are simple in their structure but very effective in their function. The phagocytosis mechanism may even have served evolutionarily as the basis for the cell fusion process that eventually led to the emergence of the eukaryotic cell, which made more complex organisms possible.

    Sources:
    The Origins of Phagocytosis and Eukaryogenesis
    The Endosymbiotic Theory

    Discovery by Ilya Metschnikow
    The actual term ‘phagocytosis’ was first coined at the end of the 19th century by the Russian biologist Ilya Metschnikow, who is regarded as a pioneer of immunobiology. During a stay in Italy, Metschnikow carried out studies on starfish and observed how certain cells devoured pathogens or foreign particles. He called these cells ‘phagocytes’ (Greek: ‘scavenger cells’), and the process itself he termed ‘phagocytosis’. For this discovery, Metschnikow was awarded the Nobel Prize for Medicine in 1908.

    Evolution of phagocytosis in the immune system
    Over the course of evolution, phagocytosis has evolved from a mechanism for nutrient uptake into a central component of the immune system. Immune cells such as macrophages, dendritic cells, and neutrophils in the innate immune system have refined the process of phagocytosis, using it not only to recognize, engulf, and destroy pathogens but also to communicate with other immune cells.

    The „parading” of antigens on the cell surface is a true evolutionary trick: immune cells present fragments of digested pathogens (antigens) to alert other immune cells. While amoebas simply digest their prey, immune cells have learned to turn this into a „message” for the body!

    Macrophages mainly concentrate on „eating” pathogens and „cleaning up” cell debris. However, this also gives rise to the possibility of antigen presentation.

    During degradation, smaller fragments are released, including potential antigens, which are bound to MHC class II molecules and presented on the cell surface. This antigen presentation is crucial for the activation of other immune cells, especially T cells. The antigen-MHC II complexes are presented to the T cells, which then initiate the specific immune response – a process that we will discuss in more detail in the following sections.

    Fig. 36: After digesting the pathogen, waste materials are expelled from the macrophage through exocytosis, a process where unwanted substances are packaged into vesicles and transported out of the cell. At the same time, some of the resulting antigen fragments bind to MHC class II molecules and are transported to the cell surface. Here, other immune cells can recognize the antigen-MHC-II complexes and initiate a specific immune response.

    Many other smaller molecules produced by the digestive process, such as amino acids, sugars and lipids, can be re-utilised by the macrophage as nutrients.

    Other waste products and indigestible residues are packed into vesicles and excreted from the cell. This prevents the accumulation of waste within the macrophage and allows it to continue working. Some of the indigestible residues can ultimately be removed via various excretory processes of the body, such as urine, faeces or sweating. This occurs after further degradation and transport through the lymphatic system or the bloodstream to the corresponding organs such as the kidneys or intestines.

    Macrophages are very efficient phagocytes and can ingest and degrade a large number of pathogens and cellular waste. Within a few hours, one macrophage can phagocytise hundreds of bacteria.

    As not just one pathogen usually invades the body, macrophages call on other immune cells for help. To do this, they secrete cytokines that strengthen the immune response.

    Cytokines cause the blood vessels around the site of infection to dilate, leading to increased blood flow. This enhanced circulation allows more immune cells, oxygen, and nutrients to reach the affected area. As a result, swelling (edema) occurs in the tissue, which also explains the redness and warmth often associated with inflammation.

    Fig. 37: Other immune cells are attracted to the site of infection through cytokines.

    As the immune response progresses, macrophages initiate the healing process by releasing growth factors that promote cell division and differentiation.

    Macrophages play a central role in the immediate immune defense. Their primary tasks are fighting and eliminating pathogens, as well as clearing cellular debris through phagocytosis. To accomplish this, macrophages possess around 60 different types of receptors, enabling them to recognize a wide variety of pathogens. Additionally, they perform antigen presentation to support the specific immune response, though this is more of a supplementary function. In contrast, dendritic cells are more specialized in collecting and presenting antigens, with their primary role being the activation of the adaptive immune response.

    5.3. c) Dendritic Cells

    Dendritic cells are specialised immune cells that play a key role in triggering the specific immune response. The name is derived from their numerous, branched projections, which are reminiscent of the dendrites of nerve cells.

    Dendritic cells originate from precursor cells in the bone marrow and further differentiate in tissues. They are found in almost all tissues of the body, especially at the interfaces with the external environment, such as the skin, respiratory tract, and gastrointestinal tract, where they continuously search for antigens. In tissues, they can develop into different subtypes, each of which has specific roles in recognizing and presenting antigens.

    Dendritic cells recognise pathogens and foreign substances through special receptors on their surface, the so-called pattern recognition receptors (PRRs). These receptors bind to characteristic molecular patterns on the pathogens, which are known as pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). Damaged or dead cells also send out specific „eat-me” signals that are recognised by the dendritic cells.

    Fig. 38: The dendritic cell recognises the pathogen via special pattern recognition receptors and binds it. The cell membrane then invaginates at the binding site and completely encloses the pathogen so that it is taken up by the dendritic cell.

    As soon as dendritic cells have taken up pathogens or cell debris, they undergo a maturation process. This process begins with the PRRs recognising the PAMPs on the pathogens. After this recognition, the dendritic cells phagocytose the pathogens or cell debris and enclose them in a membrane-enveloped vesicle, the phagosome. Within the phagosome, the ingested materials are broken down by digestive enzymes.

    During this degradation, smaller fragments called antigens are produced. These antigens are then bound to MHC class II molecules and presented on the cell surface.

    Fig. 39: During phagocytosis, a membrane-enveloped vesicle, the phagosome (1), is formed. This fuses with a lysosome (2), which contains digestive enzymes that degrade the pathogen. The resulting phagolysosome (3) produces smaller fragments, including potential antigens. These antigens are bound to MHC class II molecules and presented on the cell surface.

    Following the uptake and processing of antigens, dendritic cells migrate to the nearest lymph nodes, where they present the antigens to the T cells and thus initiate the activation of the specific immune response.

    Although dendritic cells also play an important role as phagocytes in the innate immune defence, their main function as antigen-presenting cells (APCs) is to activate the specific immune defence. We will therefore deal with their role as APCs in detail in the chapter ‚The specific immune defence‘.

    In addition to activating the specific immune response, dendritic cells can also have a regulatory effect. Depending on the context and the signals received, they can take on both immunostimulatory and immunosuppressive functions and thus contribute to the fine-tuning of immune responses.

    5.3. d) Natural Killer Cells

    Natural killer cells (NK cells) are a type of lymphocyte that belongs to the leukocytes (white blood cells). They develop from lymphoid stem cells in the bone marrow and are an essential component of the innate immune response.

    NK cells circulate in the blood and are tasked with inducing apoptosis (programmed cell death) in specific cells, particularly virus-infected cells and tumor cells. Their presence in the bloodstream allows them to rapidly respond to infections and migrate into different tissues when a threat arises. NK cells are also found in various tissues and organs throughout the body, particularly in the spleen, liver, lymph nodes, and lungs.

    Although NK cells do not need to be activated, their activity is enhanced by cytokines. Unlike other immune cells, they do not possess specific receptors for foreign antigens. Instead, they use a variety of receptors, which are divided into two categories: activating and inhibitory receptors.

    Inhibitory receptors recognize MHC class I molecules, which are normally present on the surface of all nucleated cells and serve as SELF-markers for the immune system. The binding of inhibitory receptors occurs independently of the peptides presented on the MHC class I molecule; the NK cell does not directly recognize the peptides but rather the MHC class I molecule itself.

    NK cells scan cell surfaces in the body and bind their inhibitory receptors to MHC class I molecules. This binding sends an inhibitory (negative) signal into the NK cell, which suppresses its activation and thus protects healthy cells from attack.

    Tumor cells and virus-infected cells often reduce the expression of MHC class I molecules to evade detection by cytotoxic T cells. This phenomenon is known as the „missing-self” principle. When a cell expresses no or reduced MHC class I molecules on its surface, the inhibitory (negative) signal is not transmitted, allowing the NK cell to recognize the target cell as abnormal and attack it.

    Fig. 40: LEFT: NK cell recognises MHC-I and is inhibited. RIGHT: NK cell does not find MHC-I and is activated.

    Activating receptors recognize stress molecules expressed on the surface of infected or transformed cells. There are various stress molecules collectively referred to as„stress-induced self”.When cells are under stress, they express these molecules. The activating receptors on NK cells recognize these stress molecules, leading to the activation and attack of NK cells on the affected cells.

    Fig. 41: Stress molecules are recognised and the attack is initiated despite the presence of MHC-I recognition.

    The activation of NK cells depends on a delicate balance between activating and inhibitory signals. When both activating and inhibitory signals are detected, a weighting of these signals occurs. In the case of predominant inhibition from the inhibitory receptors, the activation of the NK cell is suppressed, and the target cell remains protected. However, if the activating signals dominate or the inhibitory signals are weaker, the NK cell is activated and attacks the target cell. In this way, NK cells can recognize and kill their targets despite the efforts of target cells to evade immune surveillance.

    The natural killer cell (NK cell) can eliminate the target cell in two ways.

    1) Killing by perforins and granzymes

    Firstly, it releases cytotoxins. The cytoplasm of the NK cell contains numerous small granules that contain proteins such as perforin and granzymes.

    These are released in the vicinity of the target cell. Perforins create pores in the membrane of the target cell, through which granzymes enter and initiate apoptosis.

    Fig. 42: The natural killer cell recognises a virus-infected cell. As it does not receive an inhibitory signal and therefore receives a positive signal for the attack, it activates its defence mechanism and kills the target cell by releasing cytotoxins.

    Sometimes antibodies (produced by the immune system) bind to abnormal cells, such as virus-infected cells or cancer cells. NK cells do not recognize the specific variable part of the antibody that binds to the antigen but instead recognize the constant tail region of the antibody, known as the Fc region. At this point, it is enough to know that antibodies consist of a variable part and a constant part. We will examine antibodies in more detail in later chapters. NK cells have Fc receptors that specifically bind to this constant Fc region of antibodies.

    After the NK cell has bound to the antibodies, it releases perforins and granzymes to destroy the target cell.

    Fig. 43: A natural killer cell recognizes the constant tail region (the Fc region, shown in dark red in the image) of the antibody that is bound to a virus-infected cell. By binding through its Fc receptor, the NK cell releases cytotoxic substances (perforins and granzymes) to destroy the infected cell.

    2) Killing by Fas Ligand (FasL)

    Tumor cells or infected cells can express Fas receptors. Fas is a specific „death receptor”. NK cells possess Fas ligands (FasL). When the NK cell binds its Fas ligand to the Fas receptor on the target cell, it transmits signals that activate the apoptotic pathway in the target cell. The interaction between Fas ligand and Fas receptor is also referred to as the „kiss of death”.

    Fig. 44: A natural killer cell recognises a virus-infected cell via the Fas ligand. After binding to the Fas receptor of the target cell, it sends signals that initiate apoptosis.

    The target cell undergoes a series of ordered changes: First, it shrinks and the chromatin (the material that makes up the chromosomes) becomes denser. Then the DNA is broken down into small fragments. Finally, the cell disintegrates into small vesicles, so-called apoptotic bodies, which are recognised and eliminated by specialised cells of the immune system, such as macrophages.

    Fig. 45: After apoptosis of the target cell, macrophages remove the remains by phagocytosis.

    The following animated video briefly and concisely explains the function and importance of NK cells.

    Source: Immune System – Natural Killer Cell

    „In the recent past, it was assumed that NK cells do not have an immunological memory, i.e. they cannot ‚remember‘ encounters with virus-infected cells. For some years now, however, there have been indications that they adapt to their environment over the course of their lives – abilities that were previously only attributed to the acquired immune system.“ [DocCheck]

    Although NK cells are part of the innate immune system, they are often regarded as a bridge between the innate and adaptive immune systems, as they influence the overall immune response through interaction with other immune cells. Natural killer cells play a crucial role in combating viral infections and cancer cells, keeping these threats in check until the specific immune response is fully activated.

    The leukocytes (white blood cells) as the second line of defence are supported in their work by the complement system.

    5.4. The Complement System

    An important part of our immune response is the complement system. It is present in newborns and thus belongs to the innate immune system. As an immediate defense, it targets invaders that have breached the body’s natural barriers, such as the skin or mucous membranes. In cooperation with the specific immune system, it „complements” the immune response.

    Essentially, the complement system has three tasks: it marks enemies, activates the immune defence and burns holes in the enemies until they die.

    In order to get rid of pathogens, the complement system goes through the following phases:

    a) Recognition and marking of the pathogen (opsonization)
    b) Activation of the immune defence (inflammation, complement cascade)
    c) Destruction of the pathogen (phagocytosis, lysis)
    d) Removal of the debris and healing of the damaged tissue

    For these tasks, around 30 complement proteins are available, which are present in body fluids and tissues. These proteins have different functions and are called complement factors (C1, C2, C3, … C9). They are capable of splitting into further subunits (e.g., C3 becomes C3a and C3b). They are activated by the cleavage.

    a) Recognition and marking of the pathogen

    Pathogens are recognized by unique surface patterns that are only found on foreign microorganisms or diseased cells. Complement proteins continuously patrol the blood, tissues, and mucous membranes, scanning for pathogenic changes. As soon as they encounter something foreign that they identify as pathogenic, they attach to the identified target and label it for the immune system as a pathogen.

    Fig. 46: Examples of pathogens found

    For example, the finding may be an immune complex (IC), in which an antibody has bound to an antigen. These complexes can also attach to the surfaces of bacteria, viruses, and other parasites, a process known as opsonization. Pathogens labeled in this way become more visible and accessible to other immune cells, such as macrophages, dendritic cells, granulocytes, and natural killer cells. Depending on the pathway of opsonization, there are three different complement pathways.

    Fig. 47: Different complement pathways

    b) Activation of the immune defence

    Depending on the activation pathway, different proteins bind to the pathogen (see figure above). In the classical pathway, C1 binds to immun complexes (IC), in the lectin pathway, mannose-binding lectin (MBL) binds to sugar structures (mannose) on the pathogen surface, and in the alternative pathway, C3 binds directly to the pathogen surface. These bindings all lead to the formation of C3 convertase, a special enzyme that splits the protein C3 into two parts: C3a and C3b.

    Since this mechanism is complex, it is only briefly mentioned here that in the classical and lectin pathways, a series of reactions occurs after the binding of the corresponding proteins, ultimately leading to the formation of C3 convertase. In the alternative pathway, C3 convertase forms directly. C3b, the product of this cleavage, then attaches to the surface of the pathogen. In the alternative pathway, C3b remains directly on the pathogen surface.

    Fig. 48: Different complement pathways all lead to C3 convertase.

    The smaller C3a proteins act as distress signals, which are flushed away and activate additional complement proteins. These newly mobilized proteins follow the distress signals to the source of the inflammation, attach to the enemy, and also undergo cleavage. This leads to a domino effect known as the complement cascade. An inflammatory response is triggered, which continues to amplify until countless complement proteins cover the invaders.

    Fig. 49: Countless complement proteins cover the invader.

    The distress signals also cause the smaller local blood vessels to dilate and become more permeable. This makes it easier for immune cells to migrate from the blood vessels into the infected tissue. In addition, further immune cells are attracted by the distress signals. This leads to swelling of the surrounding area at the site of infection, resulting in the typical characteristics of inflammation such as swelling, redness, warmth and pain. The inflammation burns.

    Fig. 50: Complement cascade leads to inflammation.

    c) Destruction of the pathogen

    The summoned immune cells locate the marked pathogens by utilizing specific complement receptors on their surface that bind to the C3b protein. These receptors enable phagocytes to selectively recognize the marked pathogens. The phagocytes then engulf the pathogen, take it in, and digest it.

    Fig. 51: Phagocytosis of the C3b-opsonized (marked) pathogen

    The complement proteins also launch an attack. Additional proteins (C5b, C6, C7, C8, and several C9) now bind to the invader. These complement proteins assemble into protein units (C5b678poly9 complexes), known as membrane attack complexes (MAC), which punch pores in the enemy’s cell membrane. The holes created in the cell membrane lead to a fluid exchange between the interior of the cell and the surrounding environment, resulting in the dissolution of the pathogen, a process known as lysis.

    Fig. 52: Complement proteins form membrane attack complex (MAC), which leads to lysis.

    The animation „Little Bombs in the Blood – The Complement System” vividly illustrates the complex processes described.

    The complement system interacts strongly with the coagulation system. The inflammatory response triggered by the complement system causes blood clotting at the site of infection. Clots block the small blood vessels, preventing the pathogens from spreading further through the blood. At the same time, fluid is directed into the tissue and from there to the lymph nodes. This allows the dendritic cells loaded with antigens to more easily reach the lymph nodes. There, they present the antigens to the T cells, thereby initiating the specific immune response.

    d) Removal of the debris and healing of the damaged tissue

    The immune response ends when the threat has been eliminated. In order to heal, the remains of cell debris, bacteria or viruses must first be removed from the wound area. This task is performed by the macrophages. The inflammation dissolves as a result of the cleansing. With the formation of new cells, the tissue is repaired or completely regenerated. The clots that have become superfluous are broken down again by fibrinolysis, i.e. the enzymatic dissolution of clots.

    Regulation of the complement system

    The various complement fragments also have an immunoregulatory effect. These regulators can enhance or inhibit the defense response, thereby terminating the immune response. A dysregulation of the complement system has serious consequences for health. Both the complement and coagulation systems are meant to act only locally. Widespread activation throughout the entire organism could have severe consequences. Dysregulation can lead to autoimmunity, where the body’s own cells are attacked, resulting in various diseases.

    The combination of leukocytes and the complement system ensures an effective and coordinated defense against infections. If the specialized immune cells, in collaboration with the complement system, manage to eliminate all pathogens, the immune response comes to an end. However, it is not always possible to completely eradicate all pathogens through the nonspecific defense. In such cases, the specific immune system comes into action.

    5.5. The Specific Immune Defense

    Although the innate, non-specific defence reacts very quickly, it is not always sufficient. It can fend off many pathogens, but some are able to overcome this line of defence. From this point onwards, the body reacts with a targeted, i.e. specific, immune response. The specific defence is slower than the non-specific defence, as it needs time to develop a tailored response to the invader.

    As this defence is specifically directed against certain pathogens, it is much more accurate and efficient. It can also memorise information about an attacker. It develops in a lifelong training process. This is why it is also referred to as acquired immune defence or adaptive immune defence.

    5.5.1. Key Players of the Adaptive Immune Response
    5.5.2. Naive B and T Cells: The Diversity of the Immune Response
    5.5.3. The Role of Antigen-Presenting Cells (APCs)
    5.5.4. The Importance of Lymph Nodes for the Adaptive Immune Response
    5.5.5. Recognition Phase
    5.5.6. Activation Phase
    5.5.7. Effector Phase
    III – Third Line of Defense: The Antibodies
    5.5.8. Types of Antibodies
    5.5.9. The Action Phase of Antibodies
    5.5.10. Regulatory T Cells and Their Role in the Immune System
    5.5.11. Switch-Off Phase
    5.5.12. Immunological Memory

    Before we go into the individual processes in more detail, the following section will introduce the individual players in the specific immune defence.

    5.5.1. Key Players of the Adaptive Immune Response

    Key players in the adaptive immune response are specialized leukocytes known as B lymphocytes (B cells) and T lymphocytes (T cells). These work within two closely intertwined systems: the humoral and the cellular immune response.

    Fig. 53: Immune cells of the specific immune defence
    a) Development and Maturation of Lymphocytes
    b) Humoral and Cellular Defense Mechanisms
    c) Migration and Distribution of Lymphocytes
    d) Structure of the Lymphatic Organs
    a) Development and Maturation of Lymphocytes

    B and T cells develop from stem cells in the bone marrow. While the B cells fully mature in the bone marrow, the T cells migrate to the thymus after their formation in order to complete their maturation there. The abbreviations B and T are derived from their places of formation: B stands for Bone marrow and T for Thymus.

    B and T cells are considered naive as long as they have not yet encountered an antigen.

    b) Humoral and Cellular Defense Mechanisms

    Humoral defence involves combating pathogens in body fluids such as blood and lymph (from the Latin humor, meaning fluid). The main players in this defense are B lymphocytes. They recognize specific antigens and subsequently produce antibodies that bind to the antigens. This binding marks the pathogens for destruction by other immune cells or directly neutralizes them. This process is particularly effective against pathogens that are outside of body cells, such as bacteria and viruses that have not yet invaded a cell.

    Cellular defence, on the other hand, is carried out by T lymphocytes. They recognise and destroy infected cells or cells that have become abnormal in some other way. T lymphocytes can also activate other immune cells to enhance the destruction of pathogens. T cells are further subdivided into CD4+ T cells and CD8+ T cells, each of which has different roles in the immune response.

    In the following text, the terms CD4 T cells and CD8 T cells will be used to improve readability. The ‚+‘ symbol denotes the expression of specific surface markers on the T cells. It indicates that these T cells carry the corresponding markers on their surface. In many contexts, the ‚+‘ symbol can be omitted without losing its meaning.

    CD4 T cells are primarily T helper cells; they support and regulate the activities of other immune cells. CD8 T cells are mainly cytotoxic T cells. They recognize and destroy infected cells, especially those infected by viruses, as well as cancer cells.

    c) Migration and Distribution of Lymphocytes

    After their development, the naive B cells and T cells enter the blood. As soon as they reach a secondary lymphatic organ (e.g. a lymph node), they leave the blood and migrate through the lymphatic tissue. From there, they return to the blood via the lymphatic vessels and thus shuttle back and forth between the blood and secondary lymphatic tissue.

    To understand this better, it is worth taking a closer look at the structure of the lymphatic organs.

    d) Structure of the Lymphatic Organs

    The various secondary lymphatic organs (such as lymph nodes, spleen, etc.) are all organised according to a similar pattern: they contain separate areas in which the B and T cells accumulate – the so-called B cell and T cell zones. Circulating T and B cells enter the secondary lymphoid tissues from the blood via a common pathway, but are directed to their respective compartments (areas) by the action of different chemokines (signalling proteins that control the movement of cells).

    Fig. 54: LEFT: Components of the lymphatic system, RIGHT: Structure of a lymph node

    A lymph node is surrounded by a thin capsule of connective tissue that extends small partitions into the interior, dividing the lymph node into different sections. On the convex side, lymph fluid flows into the lymph node through afferent lymphatic vessels. On the indented side, known as the hilum, the filtered lymph fluid exits the lymph node through a special efferent lymphatic vessel. At this point, blood vessels also enter and exit the lymph node. Inside, the lymph fluid passes through specialized channels known as the sinus system. In the outer layer of the lymph node, B cells are found in small clusters called lymph follicles. This B cell region directly borders the area of T cells, known as the paracortex. Both B and T cells can enter the lymph node through the blood (artery) or the afferent lymphatic vessels and then exit through the blood (vein) or the efferent lymphatic vessels.

    The lymphatic system

    The lymphatic system is an essential component of our immune system and consists of a network of lymphatic vessels and lymph nodes that permeate the entire body. Unlike the blood vessel system, it is not closed. Lymph, a clear, slightly yellowish fluid, is made up of water, proteins, fats, and white blood cells.

    Body cells require nutrients and oxygen to perform their various functions, while simultaneously needing to dispose of metabolic waste. Arteries supply fresh blood, while veins transport used blood and harmful substances away. Lymph (from the Latin for ‚clear water‘) serves as an intermediary between blood and body cells. It exits from the capillaries, the thinnest blood vessels, into the space between the cells and flows freely there, taking up metabolic products, fats, cell debris, and pathogens.

    The lymph first collects in fine vessels and then flows into larger lymphatic channels. Finally, it flows into the two main venous branches at the base of the neck. On its way there, the lymph passes numerous lymph nodes, which are distributed along the lymph vessels. The lymph nodes act like filter stations that cleanse the lymph by trapping pathogens.

    Lymph nodes are small, bean-shaped structures that typically range from a few millimeters to about 1 cm in size. A healthy adult has approximately 600 to 700 lymph nodes distributed throughout the body. They not only filter excess fluid from the tissue but also activate the immune system as soon as pathogens are detected, initiating the defense response to keep the body healthy.

    The primary lymphoid organs are the bone marrow and the thymus. Lymphocytes (B cells and T cells) are formed from stem cells in these organs.

    The secondary lymphatic organs include the lymph nodes, lymphatic vessels, spleen, and lymph follicles of the mucous membranes. These organs act as filtration stations, removing dead cells, foreign material, and protein aggregates from the circulation. In these organs, lymphocytes, monocytes, and dendritic cells are highly mobile and can move in and out of the lymphatic tissue.

    5.5.2. Naive B and T Cells: The Diversity of the Immune Response

    Naive T cells carry unique T cell receptors (TCRs) on their surface that are specifically designed for the recognition of antigens. Similarly, naive B cells possess a variety of B cell receptors (BCRs), which also serve the purpose of antigen recognition.

    The immense diversity of TCRs and BCRs arises from a genetic mechanism known as somatic recombination or somatic V(D)J recombination. In this process, different gene segments are randomly combined, leading to the formation of billions of different receptors. This enables the immune system to be prepared for nearly every conceivable antigen.

    Fig. 55: Diversity of naive T cells, each of which has different T cell receptors (TCRs).
    What is somatic V(D)J recombination?

    Our immune system must be capable of recognizing millions of different pathogens, such as viruses and bacteria. For this to be possible, we need a vast number of different „recognition tools”: antibodies and T cell receptors. These tools are specialized proteins that must fit precisely to a specific pathogen, much like a key fits into a lock. But our genetic material (DNA) is limited – so how can the body produce so many different recognition tools?

    The solution lies in a clever mechanism called somatic V(D)J recombination. This mechanism works like a construction set:

    Genes as a Blueprint: Antibodies and T cell receptors are made up of different building blocks that are encoded by specific gene segments. These segments are called V (Variable), D (Diversity), and J (Joining). Each of these segments specifies a part of the antibody or T cell receptor.

    Mix and Match: Somatic V(D)J recombination occurs in the precursor cells of B and T cells. In this process, individual V, D, and J segments are randomly combined to create a unique blueprint for an antibody or T cell receptor. This results in millions of different combinations – each combination corresponds to a unique antibody or receptor.

    Random Diversity: The process of recombination is designed to create a significant amount of diversity. Even tiny changes in the combined segments result in a different antibody or receptor. This allows the immune system to be prepared for virtually every conceivable pathogen.

    Why is this important?
    Somatic V(D)J recombination allows the immune system to produce an incredibly wide range of antibodies and T-cell receptors without each of these ‚recognition tools‘ having to be stored in our DNA. This means that our immune system is flexible and adaptable and can also respond to new or unknown pathogens.

    Summary
    Somatic V(D)J recombination is like a huge construction set that enables the immune system to create millions of different „keys” (antibodies and T cell receptors). Each key is unique and can recognize and combat a specific pathogen. This allows our body to effectively respond to a variety of threats, even if we have never encountered these pathogens before.

    You can find detailed information on this complex topic in the following sources:
    „How-to make: a T cell receptor (the simpler version)“
    „TCR gene rearrangements“

    From birth, humans possess at least one immune cell for every potential pathogen on this planet. [Evolution of immune receptor diversity]

    Or as it is impressively described in the videos „How The Immune System ACTUALLY Works” and „You Are Immune Against Every Disease”: „Your immune system has a perfect weapon against every possible disease in the universe against the Black Death the Corona virus or an infection that will emerge in 100 years on Mars.”

    The videos were published on the channel ‚Kurzgesagt – In a Nutshell‘ in 2021, which was part of the funk network from ARD and ZDF until the end of 2022. [wikipedia]

    This diversity gives the adaptive immune system its impressive strength by maintaining a vast library of responses to virtually every possible pathogen. This immense adaptability is crucial for being able to combat rapidly evolving bacteria and viruses.

    Despite its remarkable diversity, our immune system also reaches its limits.

    A vivid example of this is the plague in the Middle Ages. The bacterium Yersinia pestis, which caused the disease, presented a novel and deadly threat. The infection spread so quickly that the immune system of those affected often couldn’t mount an effective defense in time before the disease proved fatal.

    Individual differences in the immune response are based on a variety of genetic factors. Not everyone has the same ability to respond to infections, which explains why some people are better able to fight off pathogens than others. An important factor here is the diversity of MHC molecules that control the recognition and presentation of pathogens. People with different MHC variants can react differently to infections. While some are extremely susceptible to certain pathogens, there are always people who are better able to deal with new threats thanks to their genetic make-up. This genetic diversity was one of the reasons why not all people died during the plague epidemic – some had naturally stronger defence mechanisms.

    In addition, factors such as age, pre-existing conditions and general health influence the performance of the immune system. If the immune system is weakened or overloaded, even with all its complexity and adaptability, it may not be able to react quickly enough to stop a deadly infection.

    Ultimately, the immune system is an impressive defense mechanism that protects us against countless threats. However, there are limits, reminding us that genetics, environmental factors, and the principle of chance can determine who survives an infection – and who does not.

    All living organisms consist mainly of proteins, which are structured like 3D puzzle pieces and can take on billions of different shapes. Pathogens utilise this diversity to constantly change their structures. The influenza virus, for example, mutates so quickly that its envelope proteins are constantly changing slightly, making it difficult for the immune system to recognise it.

    The innate immune system recognizes many of the most common protein puzzle pieces and thus acts as a general-purpose weapon. However, it is often powerless against the countless mutations and adaptations of pathogens. This is where the adaptive immune system comes into play, as it can distinguish between one and ten billion different hostile protein puzzle pieces.

    However, in order for these highly specialised cells to effectively combat a specific pathogen, they must first be presented with the corresponding antigen. This is precisely where the antigen-presenting cells (APCs) play a decisive role.

    5.5.3. The Role of Antigen-Presenting Cells (APCs)

    Antigen-presenting cells (APCs) form the crucial interface between the innate and adaptive immune responses. Among the most well-known APCs are macrophages, dendritic cells, and B cells, with dendritic cells being particularly efficient at capturing and presenting antigens. Antigen presentation is a fundamental requirement for initiating the adaptive immune response, especially for activating T cells, which usually occurs in the lymph nodes. In the lymph nodes, antigen-presenting cells and T cells come into contact, enabling the immune response to take place.

    Dendritic cells have the unique ability to present antigens through two distinct pathways: via MHC class II molecules and MHC class I molecules. Let’s take a closer look at both presentation pathways.

    a) Antigen Presentation via MHC-II Molecules
    b) Antigen Presentation via MHC-I Molecules
    c) Dendritic Cells migrate to the Lymph Nodes
    a) Antigen Presentation via MHC-II Molecules

    As soon as a dendritic cell has recognised an (exogenous) pathogen, it binds to it, encloses it with its mobile membrane and absorbs the pathogen by invaginating it.

    Fig. 56: A dendritic cell recognizes molecular patterns (PAMPs) on a pathogen through pattern recognition receptors (PRRs). This initiates the phagocytosis of the pathogen. („Exogenous” indicates that the pathogen has entered the body from the outside.)

    The pathogen ends up in a membrane-enveloped vesicle known as a phagosome. The phagosome fuses with a lysosome, which contains digestive enzymes that break down the pathogen. Smaller fragments are produced in the phagolysosome, including potential antigens. These antigens are bound to MHC class II molecules and presented on the cell surface.

    Fig. 57: Antigen presentation by MHC class II molecules in dendritic cells:

    1) Phagocytosis of exogenous antigens. 2) Degradation of antigens in phagolysosomes. 3) Assembly and transport of MHC-II molecules from the endoplasmic reticulum (ER) to the Golgi apparatus. 4) Fusion of the vesicles and loading of the MHC-II molecules with peptides. 5) Presentation of the loaded MHC-II on the cell surface.

    In this way, the dendritic cell displays outward what pathogen it has detected. These MHC-II-antigen complexes are crucial for the activation of CD4 T cells.

    Fig. 58: Dendritic cell presents the MHC-II antigen complex.

    A clear and concise visualization of MHC class II antigen processing and presentation is provided by Dr. Noel Kowal.

    Quelle: MHC Class II Antigen Processing and Presentation
    b) Antigen Presentation via MHC-I Molecules

    I – Direct infection

    Dendritic cells, like all cells, must continuously produce proteins to survive. Once these proteins have fulfilled their function, they are degraded into smaller fragments (peptides) in the proteasome. If the dendritic cell is infected by a pathogen such as a virus, it produces viral (endogenous) proteins, which are also degraded in the proteasome. The resulting peptides (antigens) are bound to MHC class I molecules and then transported to the cell membrane via vesicles through the Golgi apparatus. There, they are available for recognition by CD8 T cells.

    Fig. 59: Antigen presentation via MHC class I molecules in dendritic cells:

    1) The dendritic cell is infected by a pathogen (virus). 2) The virus is broken down into peptides in the proteasome. 3) These peptides are transported into the endoplasmic reticulum (ER). 4) There, the peptides bind to MHC class I molecules. 5) The antigen-MHC-I complexes are packaged into vesicles via the Golgi apparatus. 6) They are then transported to the cell surface. („Endogenous” indicates that the pathogen or antigens originate from within the cell.)

    Dr Noel Kowal also provides a concise visualisation of MHC class I antigen processing and presentation.

    Quelle: MHC Class I Antigen Processing and Presentation

    II – Cross-presentation

    Interestingly, dendritic cells can also present antigens (from viruses or bacteria) on MHC class I molecules, even if they are not infected by these pathogens. This process is called cross-presentation and is important for our immune system because it often leads to the activation of defence cells more frequently than the direct infection of dendritic cells.

    Dendritic cells take up antigens from dead or destroyed infected cells. Normally, these antigens would be processed in a special vesicle within the cell, the phagosome, and presented on MHC class II molecules. However, in cross-presentation, something special happens: the antigens move from the phagosome into the cell’s interior (cytoplasm) and are broken down into small pieces by the proteasome.

    These small protein fragments (peptides) are then transported into the endoplasmic reticulum (ER), where they bind to MHC class I molecules. Sometimes this process can even take place directly in the phagosome. Finally, these loaded MHC-I molecules are brought to the cell surface.

    Fig. 60: Antigen presentation by MHC class I molecules in dendritic cells:

    1) The dendritic cell phagocytizes or takes up viral remnants from infected or destroyed cells. 2) The taken-up viral material is enclosed in a phagosome, which later fuses with a lysosome to form a phagolysosome. The viral material can enter the cytoplasm from the phagolysosome. Alternatively, certain viral components can directly enter the proteasome, where they are broken down into smaller peptides. 3) These peptides are transported to the endoplasmic reticulum (ER). 4) There, the peptides bind to MHC class I molecules. 5) The antigen-MHC-I complexes are packaged into vesicles via the Golgi apparatus. 6) Finally, they are transported to the cell surface.

    In this way, dendritic cells can present antigens that they would normally present on MHC class II molecules also on MHC class I molecules. This is crucial because it activates specialized immune cells, the CD8 T cells, which can recognize and destroy infected cells.

    The process of cross-presentation in dendritic cells is complex and not yet fully understood. Although significant progress has been made in recent years and many important mechanisms have been clarified, some aspects remain the subject of intensive research.

    Cross-presentation is crucial for the immune system as it enables dendritic cells to present a variety of antigens and thus activate a strong CD8 T cell response.

    Protective mechanisms of the dendritic cells

    Dendritic cells (DCs) are important players in the immune system, bridging the innate and adaptive immune responses. They can present foreign antigens to activate T cells and initiate a specific immune response. But how do DCs protect themselves from attacks by the immune system when they display foreign antigens on MHC class I molecules?

    Maturation State of DCs: As dendritic cells mature, they alter their surface in a way that prevents them from being attacked by innate immune cells, such as natural killer (NK) cells. Mature DCs display specific signals that NK cells recognize, leading them to refrain from attacking.
    Interaction with NK cells: Mature DCs have molecules on their surface that indicate to the NK cells that they are not hostile. These special molecules have an inhibitory effect on the NK cells. These mechanisms ensure that the DCs can safely reach the lymph nodes, where they activate the T cells.
    Immunomodulatory molecules: DCs can release cytokines that dampen the activity of NK cells and other immune cells.
    Rapid migration: DCs move quickly from the site of infection to the lymph nodes. This rapid migration reduces the time during which they are exposed to possible attacks by immune cells.
    Chemokines: DCs follow specific chemical signals that guide them directly to the lymph nodes. These signals help them to avoid dangerous areas where they could be attacked.
    Cell Interactions and Environment: DCs collaborate with other immune cells that can also help protect them. For example, regulatory T cells (Tregs) can modulate the immune response, thereby preventing DCs from being attacked.

    The video „Cross-presentation of exogenous antigen” describes the mechanism of cross-presentation by dendritic cells and its consequences.

    c) Dendritic Cells migrate to the Lymph Nodes

    After antigen uptake and processing, dendritic cells migrate with their findings to the nearest lymph nodes.

    Fig. 61: Antigen-presenting dendritic cells migrate to the T-cell zone in the lymph node.

    There they present their antigen-MHC complexes to the naive T cells.

    Fig. 62: Antigen-presenting dendritic cells search for the appropriate T-cell receptor (TCR).

    The following graphic summarises once again how dendritic cells present antigens in two different ways: via MHC class I and MHC class II molecules.

    Fig. 63: Dendritic cells activate T cells.

    CD4 T cells possess both a T cell receptor (TCR) and a CD4 molecule, which gives them their name. The T cell receptor is responsible for binding to an antigen presented by an MHC class II molecule. The CD4 molecule directly binds to the MHC class II molecule. Since the CD4 molecule cannot bind to MHC class I molecules, this ensures that CD4 T cells only interact with MHC class II molecules. Conversely, CD8 T cells express a T cell receptor and a CD8 molecule. The CD8 molecule cannot bind to MHC class II molecules, ensuring that CD8 T cells exclusively interact with MHC class I molecules.

    5.5.4. The Importance of Lymph Nodes for the Adaptive Immune Response

    An adaptive immune response occurs when naive T cells encounter activated antigen-presenting cells (such as dendritic cells) in secondary lymphoid organs such as the lymph nodes. These specialised organs enable effective interactions between circulating lymphocytes and their target antigens.

    In order for the rare antigen-specific T cells to efficiently search for antigen-presenting cells, they continuously circulate through the lymphatic organs. Here, they examine antigens brought in from various tissue regions.

    For the initiation of an adaptive immune response, it is crucial that pathogens or their antigens are transported to the secondary lymphatic organs. Without this transport to the lymph nodes, T cells cannot be sensitized, demonstrating that the adaptive immune response is not initiated directly in the infected tissue, but rather in the lymphatic organs. There, the production of antibodies by activated B cells is also stimulated.

    The adaptive immune response requires pathogens or their antigens to be transported to secondary lymphoid organs such as lymph nodes. These organs are essential for triggering the immune response, including the production of antibodies. [T cell-mediated immunity]

    5.5.5. Recognition Phase

    The task of the dendritic cell (DC) is to find the ONE suitable T cell that matches the pathogen found among the billions of T cell variations. The DC remains in the lymph node and presents the antigen it has found, while the T cells circulate in the lymph node and scan the antigen-MHC-II complexes on the surface of the dendritic cell. You could say that the T cells ’sniff‘ the dendritic cells like guests to whom you first say ‚hello‘. Understandably, this can take a while. Only the T cells that can bind to the antigen are selectively activated.

    5.5.6. Activation Phase

    a) T Cell Activation
    b) B Cell Activation

    As soon as a T cell recognises a suitable antigen-MHC complex on a dendritic cell, it binds to it. This can be compared to a firm and prolonged handshake in greeting, which triggers a series of signals in the T cell and causes its activation. This initial contact with the antigen and the resulting activation of naive T cells is often referred to as priming.

     a) T Cell Activation 

    The activation of naive T cells is controlled by several signals (see figure below). The primary signal is the recognition of the antigen-MHC complex (1) on the antigen-presenting cell. In addition, T cell activation also requires the recognition of costimulatory signals (additional signals to activate immune cells, 2) and cytokines (3) sent by the antigen-presenting cell.

    Fig. 64: Dendritic cell (DC) activates the naive T cell via three signals.

    These various signals serve as verification steps and act as a protective mechanism to prevent an overreaction of the immune system. Detailed information on T cell activation can be found here and here.

    After activation, T cells remain in the T cell zone of the lymph node for several days. During this time, they begin to divide and differentiate. The naive T cells develop into T effector cells that are specialized for different activities. The differentiation of T cells into various T effector cells depends on the combination of cytokines and other signals present during activation and the initial phase of the immune response.

    Some activated CD4 T cells differentiate into T helper cells (Th cells), which support other immune cells and enhance the immune response. Others can become regulatory T cells (Treg), which help regulate the immune response and prevent the immune system from overreacting and attacking the body’s own tissues.

    Activated CD8 T cells differentiate into cytotoxic T cells (Tc). These Tc cells can specifically kill infected cells or tumour cells by releasing cell-damaging substances.

    Detailed information on T-cell differentiation can be found here.

    Fig. 65: Activated T cells differentiate into T effector cells.

    CD4 T cells are usually activated first. These cells act as conductors of the immune response. Once activated, they help coordinate the work of other immune cells, including CD8 T cells. They do this by releasing certain messenger substances (cytokines) and sending additional (costimulatory) signals that enable the activation and support of other cells of the immune system.

    Overall, cytokines ensure that the immune response proceeds more effectively and precisely, similar to how a catalyst accelerates a chemical reaction.

    During division, thousands of T cells are generated, all bearing the same specific T cell receptor that recognizes the antigen.

    Fig. 66: The activated T helper cell begins to divide. Cytotoxic T cells and regulatory T cells also undergo proliferation (division) after activation.
     b) B Cell Activation 

    B cells can take up antigens directly without being dependent on dendritic cells. Nevertheless, interaction with these cells can be important for the activation of B cells.

    B cells bind specific antigens directly from their environment via their B cell receptor (BCR), which exists in many different variants and thus enables a broad recognition of antigens.

    Small antigen molecules or particles can penetrate directly into the lymph vessels and be transported with the lymph fluid to the lymph nodes, where they are taken up by B cells. In this case, the B cell is already in the lymph node when it takes up and processes the antigen. Alternatively, the B cell can also encounter an antigen outside the lymph node. In this case, it migrates to the secondary lymphatic organs such as the lymph nodes after antigen uptake.

    Fig. 67: Several B-cells are shown in the B-cell zone in the lymph node, each with a unique B-cell receptor (BCR) on its surface. These BCRs are the result of somatic recombination. Each B cell can only bind one specific antigen.

    After binding, B cells take up the „free” antigen along with the BCR through endocytosis, a process in which the cell membrane invaginates and internalizes the BCR along with the antigen into the cell. There, the antigen is processed internally and subsequently presented on MHC class II molecules.

    Fig. 68: The naive B cell presents its B cell receptor (BCR), which is structured like a membrane-bound antibody. The BCR specifically binds to an antigen, which is then taken up and processed, appearing as an antigen-MHC class II complex on the surface of the B cells.

    B cells have the ability to directly bind antigens from the environment as well as to recognise antigens presented by dendritic cells. While direct binding to the antigen is the most common pathway, in rare cases B cells can also be activated by interacting with antigen-presenting cells (such as dendritic cells or macrophages). In this case, a B cell recognises the same antigen that is presented on the MHC-II molecule of an APC. This binding between the BCR of the B cell and the presented antigen leads to a signal transmission that activates the B cell. The APC can also express costimulatory molecules that provide additional signals that enhance the activation of the B cell. Nevertheless, the activation of a B cell by an APC is usually not sufficient to fully activate the B cell. The additional support of T helper cells is required in most cases.

    For a B cell to be fully activated, it usually requires assistance from T helper cells. This process is referred to as T cell-dependent B cell activation.

    T cell-dependent B cell activation

    Already activated T-helper cells migrate in the lymph node to the border zone between the T-cell zone and the B-cell zone, where they interact with the B-cells.

    Fig. 69: In the B cell zone, B cells are in various stages of activation. Some B cells are not yet activated and have neither taken up antigens nor have MHC-II complexes on their surface. Other B cells have already bound antigens via their B cell receptor (BCR) (1). In addition, there are B cells that have processed the antigen and present it on MHC-II molecules (2). These B cells are further activated and interact with T helper cells (3). Naive T cells (light green) that have not yet recognised any antigen are visible in the T cell zone. Some activated T helper cells are still in the T cell zone, while others are already interacting with B cells in the border zone (3).

    T helper cells that have recognized the same antigen bind to the antigen-MHC class II complex on the surface of B cells. This binding provides the first activation signal. As a result, T helper cells express costimulatory molecules (such as CD40L, which binds to the CD40 receptor on B cells). This provides the second signal for the complete activation of B cells. Additionally, T helper cells also release cytokines that promote the growth, differentiation, and function of B cells.

    Fig. 70: Interaction with T helper cells fully activates the B cells. The activated B cells proliferate and differentiate into plasma cells and memory B cells.

    This two-stage mechanism – binding to the antigen-MHC-II complex (first signal) and interaction with costimulatory molecules and the release of cytokines (second signal) – represents an important safety control. It ensures that an immune response is only triggered when it is really necessary. Activation of the B cells solely through antigen recognition would be less regulated and could increase the risk of undesirable reactions, such as autoimmune reactions.

    After complete activation, the B cells begin to proliferate and differentiate into two main types: plasma cells and memory B cells.

    T cell-independent B cell activation

    T cell-independent B cell activation is a less common mechanism that primarily occurs during certain bacterial infections. In this type of activation, B cells recognize antigens that typically have repetitive structures (i.e., repeating patterns), such as the polysaccharides on the surface of bacteria. These antigens can directly cross-link the B cell receptors (BCRs) on the B cells, thereby triggering activation without the need for T helper cell assistance.

    While this process is faster, it often leads to a less robust and long-lasting immune response compared to T cell-dependent activation. In addition, memory cells do not usually develop, which means that the immune response is not as strong and efficient when the same pathogen re-infects the body.

    5.5.7. Effector Phase

    During the activation phase, the immune cells are „prepared” for the pathogen. In the effector phase, these activated immune cells go into action to specifically combat and eliminate the pathogen. In this phase, the immune cells act as effectors that take specific measures to control and eliminate the infection. Most effector T cells leave the lymph node, enter the bloodstream and migrate specifically to the site of infection.

    a) T Helper Cells
    b) Cytotoxic T Cells
    c) Plasma Cells
     a) T Helper Cells 

    T helper cells support other immune cells such as macrophages at the site of infection by releasing cytokines that act as signalling substances. These cytokines enhance the ability of the immune cells to eliminate microbes by phagocytosis.

     b) Cytotoxic T Cells 

    Cytotoxic T cells, on the other hand, seek out infected or degenerated body cells and destroy them by triggering programmed cell death (apoptosis).

    Cytotoxic T cells (also known as CTLs or CD8 T cells) are extremely precise in their action. They recognise specific antigens that are presented in conjunction with MHC-I molecules on the surface of infected or abnormal cells.

    Fig. 71: The cytotoxic T cell recognizes the infected cell via its T cell receptor (TCR) and binds specifically to it.

    After this recognition, they specifically destroy only the cells that carry the corresponding antigen. There are two main ways in which the target cells are eliminated:

    1) Killing by perforins and granzymes: Perforin forms pores in the cell membrane of the target cell, directly damaging it and creating a channel through which granzymes can enter the cell. Granzymes trigger programmed cell death (apoptosis) in the target cell, which ultimately leads to the destruction of the cell.

    2) Killing by Fas ligand (FasL): Cytotoxic T cells express a molecule called Fas ligand (FasL), which binds to the Fas receptor on the surface of the target cell. This binding activates a signaling cascade that also triggers apoptosis.

    Fig. 72: Elimination of the target cells mainly takes place in two ways:

    1) After the cytotoxic T cell (CTL) has bound to the target cell, it discharges special vesicles, so-called cytotoxic granules, into the narrow contact area between the CTL and the target cell. These granules contain perforin and granzymes. Perforin forms pores in the cell membrane of the target cell through which granzymes penetrate into the cytoplasm. There they trigger a series of processes that lead to the destruction of cell DNA and the degradation of cell proteins, which causes an orderly cell death (apoptosis) without inflammatory reactions.
    2) When the CTL encounters a target cell with the Fas receptor on its surface, its Fas ligand (FasL) binds directly to this receptor, similar to a key that fits into a lock. This binding activates a signaling cascade in the target cell that leads to apoptosis. As a result of this signaling cascade, the target cell begins to degrade itself and eventually dies.

    Cytotoxic T cells act similarly to natural killer (NK) cells, but with a crucial difference: they destroy target cells in a controlled and precise manner, thereby largely sparing the surrounding tissues.

    Fig. 73: After the target cell has been destroyed by apoptosis, it remains as a collection of cell debris. This debris is recognized and taken up by phagocytes such as macrophages.

    These videos (here and here) illustrate very well how cytotoxic T-killer cells work.

     c) Plasma Cells 

    After B cells are activated, they begin to rapidly divide and differentiate into plasma cells, which are specialized in producing and releasing large amounts of specific antibodies. To better understand this complex process, let’s take a step-by-step look at it.

    The activated B cells divide extremely quickly and often, so that thousands of identical B cells develop from a few initial cells in a short space of time. This enables the immune system to produce a large number of B cells within a few days, all of which carry the appropriate BCR and either differentiate into plasma cells to produce antibodies or become memory cells.

    Fig. 74: Proliferation (division) of the activated B cell

    What is particularly fascinating is the fact that the B cell receptor (BCR), which is located on the surface of every B cell, is already the template for the antibody that will later be produced. In other words, the BCR is a „preview” of the antibody that the cell will release in large quantities after its activation.

    What truly stands out as a masterpiece of nature is the way these BCRs are created. During B cell development, the gene segments that form the B cell receptor, and therefore the future antibody, are randomly combined. The result of this somatic recombination is an incredible diversity of antigen-binding sites – with up to 10 billion possible variants.

    We’ve already encountered somatic recombination with T cell receptors (TCR). As with T cells, the random shuffling of genes here also ensures the creation of a large diversity of receptors. This way, nature ensures that for almost every conceivable invader, there is already a matching immune cell with the right receptor available. It’s as if the immune system holds a giant stockpile of „keys” (antibodies), nearly all of which can fit a new „lock” (antigen) that the body encounters. The key difference, however, is that B cells not only recognize antigens but also release the corresponding antibodies against them.

     III – Third Line of Defense: The Antibodies 

    These B cell receptors (BCRs), which are still firmly bound to the cell membrane, are also known as membrane-bound antibodies or immunoglobulins (Ig). As soon as the B cell transforms into a plasma cell, the BCR is released in its soluble form – as a fully functional antibody.

    Plasma cells – the antibody factories

    Plasma cells are crucial for immune defense, as they provide the immune system with large quantities of specific antibodies. Each plasma cell can produce up to 10.000 antibodies per minute.

    Fig. 75: LEFT: B cell with B cell receptors (BCR), which are firmly anchored in the cell membrane. These BCRs are the precursors of the later antibodies. The activated B cell develops into a plasma cell. RIGHT: Once B cells have become plasma cells, their main task is the mass production of specific antibodies, whereby their DNA is no longer modified. The plasma cell produces soluble antibodies and loses its membrane-bound BCRs. The antibodies produced are transported out of the cell in small vesicles.
    Detailed description of antibody production

    In this section, we will take a closer look at antibody production. This is a good opportunity to apply our knowledge from the previous chapters on protein production to antibody production.

    Activation of B Cells
    The process begins when a B cell is activated by a specific antigen. B cells carry B cell receptors (BCRs) on their surface that bind antigens (such as parts of a virus or bacterium). Binding triggers a signal in the B cell that leads to activation. However, additional signals (cytokines), which are provided by T helper cells, are usually required for complete activation.

    Differentiation into Plasma Cells
    After activation, B cells begin to divide (proliferation). Some of these cells differentiate into plasma cells, which are specialized in antibody production. The cell changes both morphologically and biochemically in order to fulfill its function as an „antibody factory”. The rough endoplasmic reticulum (ER) in particular enlarges considerably, as it is crucial for the synthesis of antibodies.

    Antibody synthesis
    The blueprint for the antibodies is stored in the DNA of the plasma cell. The process of antibody production takes place in several steps:

    Transcription and translation: The genetic information for the antibodies is transcribed from DNA into mRNA in the cell nucleus (transcription). This mRNA is then transported into the rough endoplasmic reticulum (ER), where the antibodies are synthesized (translated). The immunoglobulins (antibodies) are assembled in the ribosomes of the ER. In the ER, the antibodies also fold into their functional, three-dimensional structure. Only correctly folded antibodies can bind specifically to antigens.

    An antibody consists of two heavy and two light chains, which together form a Y-shape. These chains are encoded by specific genes. The binding sites (variable regions) of the antibodies are unique due to the somatic recombination that occurs during B cell development and specifically match the antigen that activated the B cell. These antibodies are a soluble version of BCRs.

    Secretion of Antibodies
    After synthesis, the correctly folded antibodies are transported to the Golgi apparatus, where they are modified and packaged. Encased in vesicles, they move to the cell membrane, where the vesicles fuse with the membrane and release the antibodies into the extracellular space (secretion).

    Plasma cells are extremely efficient and can produce and release thousands of antibodies per second. These antibodies travel through the blood or lymph to the sites of infection in the body.

    Plasma cells can either settle in the lymph nodes, from where they release antibodies into the lymph and blood, or they migrate to the bone marrow, where they produce antibodies long-term that also enter the bloodstream from there. Some plasma cells also remain in other tissues, such as the spleen or mucous membranes.

    5.5.8. Types of Antibodies

    Each antibody is made up of a variable and a constant region. The variable region, which is created by somatic recombination, is responsible for the highly specific recognition of antigens.

    The constant region of the antibody remains unchanged and determines the class of the antibody. A distinction is made between five classes (isotypes) of immunoglobulins: M, G, A, D, E and they are designated by the abbreviations IgM, IgG, IgA, IgD, IgE.

    Fig. 76: Types of antibodies

    Antibodies consist of a variable and a constant region.They are divided into two fragments: the Fab region and the Fc region. The Fab region comprises the „arms” of the Y-shaped structure and is responsible for binding to specific antigens. Each antibody has two Fab regions, each containing a variable region that forms the antigen binding site. The Fc region is the „stem” of the antibody and mediates effector functions of the immune system by being recognized and bound by immune cells such as macrophages and NK cells as well as complement proteins.

    Different classes of antibodies are produced at different times during the immune response:

    Primary immune response

    IgM: This is the first antibody produced during a primary immune response. IgM antibodies appear quickly after the first exposure to an antigen and are particularly effective in activating the complement system.

    IgG: Although IgM is the first antibody produced, IgG is also generated during the initial exposure, albeit slightly later. IgG has a higher affinity for the antigen and circulates in the blood for a longer period, providing prolonged protection.

    Secondary immune response

    IgG: Upon re-exposure to the same antigen, IgG is produced much more quickly and in greater quantities than during the primary immune response. This provides more effective and rapid protection. Additionally, IgG can cross the placenta and provide passive protection to the fetus.

    Specific functions

    IgA: These antibodies are mainly found in mucous membranes and body fluids such as saliva, tears and breast milk. They play a central role in protecting the mucous membranes from infections.

    IgE: IgE is mainly involved in allergic reactions and plays a role in the defense against parasites.

    IgD: The function of IgD is not yet fully understood, but it is thought to play a role in the activation and maturation of B cells.

    By measuring and analyzing these antibody classes, conclusions can be drawn about the immune status, the time of infection and the type of immune reaction, which is of great importance in clinical diagnostics.

    a) IgM - the first antibody
    b) Class Switching (Isotype Switching) to IgG
    c) IgA - The Protective Barrier of Mucous Membranes
    d) Mucosal Immunity: Why IgG Is Unsuitable for This
    a)  IgM – the first antibody 

    IgM is the first antibody that plasma cells produce in response to an initial infection. This is because B cells already have the genetic information to produce IgM, which they use via their B cell receptor (BCR).

    IgM antibodies occur as pentamers, which means that they consist of five individual antibody units that together form a large, ring-shaped molecule. This structure allows IgM to have up to ten binding sites for antigens (two per unit antibody), enabling particularly effective binding to multiple antigen molecules simultaneously.

    Here are some reasons for this structure of IgM:

    Increased Avidity: Due to their pentameric structure, IgM antibodies can bind several antigens at the same time. This increases their ability to capture and neutralize large quantities of antigens.

    Efficient Complement Activation: The large number of binding sites on IgM enables particularly efficient activation of the complement system. IgM can trigger a strong immunological reaction by binding to antigens and subsequently binding to complement proteins.

    However, IgM antibodies tend to not adhere very strongly to pathogens and may fall off. Therefore, they do not provide optimal protection initially. However, IgM can be produced quickly and in large quantities, making it the „first response” in antibody production. IgM antibodies are primarily found in the blood.

    b)  Class Switching (Isotype Switching) to IgG 

    After the immune system initially produces IgM antibodies during an infection, it later switches to the production of IgG antibodies. This switch is known as a class switch or isotype switch. The reason for this is that IgG antibodies are better suited for a more targeted and longer-lasting defense.

    During an infection, B cells that have previously proliferated are continuously activated. The switch from IgM to IgG is initiated by signals from helper T cells, which send cytokines (special messenger substances) to the B cells. These signals give the B cells the „go-ahead” to begin producing IgG antibodies, which are more effective in combating the pathogen.

    IgG antibodies are better than IgM in many respects:

    Greater affinity: In the course of the immune response, the B cells undergo a process known as affinity maturation. During this process, the antibodies become better and better at binding the antigen. These improved IgG antibodies not only bind more strongly and specifically to the antigen, but also neutralize the pathogen more effectively.

    Affinity maturation is a DNA „enhancement” during the course of infection. During the immune response, the B cells are also stimulated by the T helper cells to improve their antigen binding sites (variable regions of the BCR). This occurs through a process known as somatic hypermutation. Targeted mutations occur in the DNA of the B cells, which further optimize the binding sites of their antibodies. B cells with particularly well-matched antibodies (high affinity) are preferred.

    Smaller and more flexible: IgG molecules are smaller and more mobile than IgM. This allows them to penetrate tissues more easily and reach hard-to-access areas where the infection may be occurring.

    Fig. 77: In the first phase, the plasma cell produces IgM antibodies, which act quickly but with relatively low binding strength (affinity) against the antigen. Due to the isotype switch, the B cell later switches to the production of IgG antibodies. These are smaller, reach areas that are difficult to access and are therefore more efficient. The „variable” part of the antibody that recognizes the specific antigen is essentially retained, but it can be modified by affinity maturation so that the binding to the antigen becomes stronger. This further optimizes the immune response in order to act more effectively against the pathogen.

    Longer half-life: IgG remains in the bloodstream longer, providing long-term protection against the pathogen.

    Placental Transfer: IgG can cross the placenta and provide passive protection for the fetus during pregnancy, giving the newborn better protection against infections in the first few months of life.

    Immunological memory: IgG antibodies play a key role in immunological memory. After an infection, special memory cells are formed that can quickly produce large quantities of IgG antibodies when exposed to the same pathogen again. As a result, the immune system reacts much faster and more effectively in the event of a second infection.

    Graphic summary

    Fig. 78: IgM and IgG antibody levels over time

    IgM antibodies are produced in the early stages of an infection and can be detected as early as four to seven days after the infection. In contrast, IgG antibodies develop approximately seven to fourteen days after the infection and can, depending on the antigen and the individual immune response, be detected for months or even years. While IgM antibodies are short-lived and often indicate an acute infection, IgG antibodies are more durable and play a central role in the development of long-term immunity.

    You can find detailed information on these processes in the following sources:
    „Antibodies & the B cell Receptor”,
    „B cells & Plasma Cells“ and
    „Antibodies – defense mechanisms of B cells“.

    IgG antibodies are the most abundant class of antibodies in the blood and other body fluids. They are found in large numbers in the bloodstream as well as in tissues and organs and are crucial for the immune response against infections that are already localized in the internal areas of the body. In contrast, IgA antibodies take on a specialized function by acting as a protective barrier for the mucous membranes. Accordingly, a distinction is made between the systemic immune system, which protects the entire body, and the mucosal immune system, which specifically defends the mucous membranes.

    c)  IgA – The Protective Barrier of Mucous Membranes 

    While IgG focuses on fighting pathogens inside the body, IgA antibodies protect the outer mucous membranes, which mark the transition from the outside to the inside. They are the main players in mucosal immunity and are responsible for protecting the body from invading pathogens on mucosal surfaces (such as in the digestive tract, respiratory tract or urogenital tract). IgA antibodies are also found in body fluids such as saliva and tears.

    Mucous membranes form a critical barrier between our insides and the outside environment. In this context, it is interesting to note that, from a biological perspective, everything inside our digestive tract is considered to be outside our body. From the mouth to the anus runs a continuous mucosa-lined cavity – a „digestive cavity” into which we take in food and where digestive enzymes and digestive juices are released. Although this cavity is located inside the body, its contents are biologically regarded as an external area.

    Fig. 79: Organs and body regions lined with mucosal tissue

    Since mucous membranes are in constant contact with the outside world, protection by IgA is particularly important.

    The immune response to pathogens that enter the body through the mucous membranes is similar to that of pathogens that penetrate directly into the body. The following sequence describes the immune system’s reaction to a virus that enters the body through the mucous membrane. Based on the previous explanations, you can already imagine the process quite well.

    First contact with the virus – Innate immune defense:
    When a virus enters the body via the mucous membrane in the mouth, immune cells such as macrophages, dendritic cells and other defense cells react immediately. These trigger an alarm and call further immune cells to the site of infection. Dendritic cells and macrophages recognize the virus via their pattern recognition receptors (PRRs) and take it up by phagocytosis. They then process the virus and present virus fragments (antigens) on MHC-II complexes on their surface. They then migrate via the lymphatic vessels to the nearest lymph node, for example in the neck area, where they present the antigens to the T helper cells.

    Activation of T helper cells – Adaptive immune defense:
    In the lymph node, naive T cells recognize the presented viral antigen on the MHC-II molecules of dendritic cells. This interaction activates the T cells, prompting them to differentiate, including into T helper cells that specifically enhance the immune response.

    Activation of B cells – Adaptive immune defense:
    Activated T helper cells interact with B cells that have taken up the viral antigen and presented it via MHC-II molecules. T helper cells bind with their T cell receptor (TCR) to the MHC-II complex of the B cells and send the activation signal to the B cells via costimulatory molecules (such as CD40L). This signal causes the B cells to differentiate into plasma cells that produce large quantities of antibodies. At the beginning of the immune response, they mainly produce IgM, as this is the first class of antibodies produced by the immune system.

    Class switch (isotype switch) to IgA:
    In the further course of the immune response, when the body fights the infection, activated T helper cells release special signals (cytokines). These signals help the B cells to adapt the type of antibodies they produce. One important signal, TGF-β, causes the B cells to switch classes and start producing IgA antibodies. This switch is particularly crucial in the vicinity of mucous membranes, as IgA plays an important role in mucosal immunity. After the class switch, the B cells continue to differentiate into plasma cells, which then produce IgA instead of IgM.

    Fig. 80: Class switch from IgM to IgA

    In the first phase, the plasma cell produces IgM antibodies. Through the isotype switch, the B cell later switches to the production of IgA antibodies. IgA antibodies also undergo affinity maturation in order to optimize their binding strength to antigens before they are transported into the mucous membranes. Plasma cells can produce both IgA monomers and IgA dimers, depending on where they are located and what specific immune response is required. IgA monomers are mainly produced in systemic areas, i.e. in the blood and in tissues that are not connected to mucous membranes. Mucosal plasma cells in the mucosa are „programmed” by signals from their environment to produce dimeric IgA. This environment promotes the production of the J-chain, which leads to the dimerization of IgA.

    Secretion of IgA at mucous membranes:
    The activated plasma cells that settle in the mucous membranes produce and secrete secretory IgA (sIgA). sIgA is released into the lumen of the mucous membranes (the space surrounded by the mucous membrane), for example, into the oral cavity, via a specialized transport system. There, it can neutralize the virus by binding to it and preventing its entry into the mucosal cells..

    This neutralizing effect of IgA renders the virus harmless before it can penetrate deeper into the body and cause further damage.

    In addition to the production of secretory IgA (sIgA) at the mucous membranes, IgG is also produced. IgG provides systemic immune protection and is important when pathogens such as viruses cross the mucosal barrier and enter the tissue or the bloodstream. Both antibodies, IgA and IgG, therefore work in a complementary manner to ensure a comprehensive defense.

    Structure of IgA

    In the mucous membranes, such as in the digestive tract, the respiratory tract and the urogenital tract, IgA is predominantly present in dimeric form. This structure is specially adapted to the environment of the mucous membranes, which is characterized by constant contact with microorganisms, enzymes and potentially harmful substances. In this harsh environment, antibodies require additional protection and stability. Dimeric IgA is produced by plasma cells in mucosal lymphoid tissues. From there, the IgA is transported through the epithelial cells of the mucous membranes into the outer areas of the mucous membranes. During this transport, it is equipped with a secretory piece (pIgR) (see figure below), which gives it additional stability and protects it from enzymatic degradation. As a result, the dimeric IgA remains functional in the mucosal environment and can fulfill its protective function.

    Fig. 81: Transport and secretion of IgA: From dimeric IgA to secretory IgA (sIgA)

    1) The dimerized IgA produced by the plasma cells in the lamina propria (under the mucosa) binds to the poly-Ig receptor (pIgR), which is located on the basolateral surface of the epithelial cells (underneath the epithelial cell). The poly-Ig receptor is specifically designed to bind to polymerized immunoglobulins (such as dimeric IgA or pentameric IgM) that have a J-chain. 2) The poly-Ig receptor with the IgA dimer bound to it is then transported through the epithelial cell (transcytosis), i.e. from the basolateral side (below the epithelial cell) to the apical side (the side facing the mucosa). 3) As soon as the IgA dimer reaches the apical surface of the epithelial cell, part of the poly-Ig receptor is cleaved off and remains firmly bound to the IgA dimer as a secretory component (the secretory piece). Through this binding, the dimerized IgA becomes secretory IgA (sIgA). This cleavage occurs before release into the mucus layer. 4) The now fully formed sIgA is finally released into the mucus layer, where it performs its protective function by binding and neutralizing microorganisms.

    Dimeric IgA offers particularly efficient protection on the surface of the mucous membranes as its dimer structure enables it to bind better to pathogens and the mucosal layer. It can provide several antigen binding sites, which facilitates the neutralization of pathogens and prevents them from adhering to the epithelial cells.

    Small amounts of IgA are also found in the bloodstream, but mainly in monomeric form. As a monomer, IgA is smaller and can therefore circulate more easily through the bloodstream. This enables a rapid response to pathogens or antigens before they spread throughout the body. In the blood, the monomeric IgA thus fulfills a function as an „early defense” by being able to bind directly to pathogens.

    d)  Mucosal Immunity: Why IgG Is Unsuitable for This 

    In the mucus layer that lines the mucous membranes, the antibodies IgA and to a lesser extent IgM are particularly important for the immune defense, while IgG is generally not found here. The reason for this lies in the special structure and function of the immunoglobulins and the mechanism of transport through the epithelial cells.

    IgA, especially in its dimeric form, is specially adapted to protect the mucous membranes. It is produced by the plasma cells in the lamina propria under the mucosa and transported to the mucosal surface via the poly-Ig receptor (pIgR) on the epithelial cells. The pIgR binds specifically to the J-chain of dimeric IgA, which enables this antibody molecule to be safely transported through the epithelial cell. During this transport process, part of the pIgR is bound to the IgA as a secretory component, turning it into secretory IgA (sIgA). This secretory component protects the IgA from enzymatic degradation in the aggressive environment of the mucous membranes and thus enables a stable immune defense.

    In contrast, IgG, which only exists as a monomer, does not occur in the mucous membranes. IgG has no J-chain and therefore cannot bind to the poly-Ig receptor. IgG therefore lacks the ability to be transported into the mucous layer via this mechanism. IgG circulates mainly in the blood and tissue, where it performs systemic defense functions, while the mucosal immune defense is dependent on sIgA.

    IgM, which is present as a pentamer with a J-chain, can also be transported in small quantities through the pIgR into the mucus layer. Due to its structure, it is also well suited for protection in the mucous membranes. Nevertheless, sIgA remains the most important antibody in the mucus layer, which specifically neutralizes pathogens such as viruses and prevents them from entering the body.

    5.5.9. The Action Phase of Antibodies

    Once IgG antibodies have entered the bloodstream, they can reach almost any part of the body, including the lymph nodes and the sites where infections occur. IgA antibodies, on the other hand, mainly exert their protective effect on the mucous membranes, where they are produced locally and released directly into the mucous layer.

    The antibodies work in different ways to protect the body from infections:

    Recognition and binding: Antibodies recognize special structures on the surface of pathogens, known as antigens, and bind to them. This creates immune complexes (IC). This is the first step in rendering the pathogen harmless.

    Neutralization: By binding to the antigens, the antibodies block the dangerous parts of toxins and pathogens so that they cannot cause any further damage to the body.

    Fig. 82: Neutralization of a virus by antibodies

    1) The virus binds specifically to the ACE2 receptor, a protein found on the surface of many cells, especially in the lungs. This binding is the first step of infection that allows the virus to enter the cell. 2) After binding to the ACE2 receptor, the virus is taken up into the cell by receptor-mediated endocytosis. This process leads to the formation of an endosome that transports the virus particle into the cell. 3) The virus has successfully penetrated the cell membrane by endocytosis and is now inside the cell. Here the virus begins to use the cellular mechanisms to replicate and infect the cell. 4) Antibodies specifically recognize and bind to the virus, causing its neutralization. This binding prevents the virus from attaching to and infecting other cells and marks the virus for destruction by the immune system.

    Fig. 83: Neutralization of a bacterium by antibodies

    1) Bacteria attach to the cell surface with the help of adhesins and begin colonization. 2) Some bacteria are taken up by the cells and multiply in special vesicles inside the cell. 3) Antibodies bind to the adhesins of the bacteria and thus prevent them from adhering and being taken up into the cells.

    Marking for immune cells: Antibodies can mark pathogens so that certain immune cells, such as phagocytes, can recognize and destroy them more easily. This process is called opsonization.

    Fig. 84: Marking for immune cells

    The macrophage identifies the immune complex (IC) through specialized receptors on its surface that bind to the constant region of the attached antibodies. Once the immune complex is recognized, the macrophage engulfs the entire pathogen, forming a phagosome. This phagosome then fuses with lysosomes containing specialized digestive enzymes. Inside the resulting phagolysosome, both the pathogen and bound antibodies are broken down by these enzymes. The degraded proteins are processed into smaller components, which are then either repurposed by the cell or expelled as waste.

    Activation of the complement system: The binding of the antibodies can also trigger a cascade of reactions known as the complement system (as described in Chapter 5.4. ‚The complement system‘). This chain of reactions leads to the destruction of the labeled pathogens.

    Fig. 85: Activation of the complement system

    1) The complement protein C1 binds to the antibodies on the bacterial surface and starts the defense reaction. (In the classical pathway of complement activation by antibodies, at least two antibody molecules usually have to bind to the antigen. This binding brings the constant regions of the antibodies closer together, which is necessary for efficient binding of the first complement protein (C1)). 2) Complement proteins form the membrane attack complex (MAC), which drills holes in the cell membrane of the bacterium. 3) The resulting pores cause the bacterium to lose its stability and dissolve (lysis).

    Cell destruction by the immune system: In some cases, antibodies bind to infected cells or cancer cells and mark them for special immune cells, such as natural killer cells (NK cells). These immune cells recognize the marked cells and destroy them in a targeted manner. This process is known as ADCC (antibody-dependent cellular cytotoxicity).

    Fig. 86: Antibody-dependent cellular cytotoxicity

    1) An NK cell binds to an antibody that is attached to the antigen-MHC-I complex of an infected cell and releases cytotoxic granules. 2) The released substances penetrate the cell, perforate the membrane and trigger programmed cell death (apoptosis). 3) After cell death, apoptotic corpuscles remain, which are taken up and digested by a macrophage.

    Agglutination of pathogens: Agglutination is a process in which antibodies bind several pathogens (such as bacteria, viruses or foreign cells) at the same time, causing them to clump together. This agglutination makes it more difficult for the pathogens to move, multiply or infect cells. It also makes it easier for the immune system to recognize and eliminate these larger clumps. Macrophages and other phagocytes can absorb and digest the clumped pathogens more efficiently, as they are concentrated and easier to reach due to agglutination.

    Fig. 87: Agglutination of pathogens

    1) Antibodies bind multiple pathogens and clump them together, making it easier for the immune system to eliminate them. 2) Macrophages have an extraordinary ability to phagocytose. The membrane of a macrophage is flexible and can expand considerably to enclose even large particles. During phagocytosis, the membrane „flows” around the particles to be engulfed. Although agglutination can make the clumps appear large, macrophages are well equipped to ingest and digest such agglutinate complexes due to their flexible membrane and efficient digestive mechanisms. Agglutination is therefore a mechanism that increases the efficiency of the immune response by „packing” the pathogens together, making them more accessible to macrophages and other phagocytes.

    5.5.10. Regulatory T Cells and Their Role in the Immune System

    Regulatory T cells (Tregs) are specialized immune cells that play a key role in maintaining immune tolerance. Their main role is to prevent an excessive or misdirected immune response that could lead to autoimmune disease or tissue damage. Tregs suppress the activity of effector T cells (such as cytotoxic T cells and T helper cells) and B cells that produce antibodies.

    Tregs exert their suppressive function in various ways:

    Secretion of immunosuppressive cytokines: Tregs produce cytokines such as IL-10, TGF-β and IL-35, which have an anti-inflammatory effect and dampen the activity of effector T cells and other immune cells.

    Modulation of the metabolism: Tregs influence the metabolism of other immune cells by blocking access to important growth factors or energy sources, which restricts their activity.

    Direct cell contact: Tregs can transmit inhibitory signals to effector T cells via direct cell-cell contact, which blocks their function.

    Control of dendritic cells (DCs): Tregs also act on antigen-presenting cells such as dendritic cells (DCs) by downregulating their ability to activate effector T cells. This is done either by inhibiting the costimulatory molecules on the DCs that are necessary for the activation of effector T cells or by uptake of IL-2, an important growth factor that T cells require for their proliferation.

    Induced cell death: In some cases, Tregs can even trigger the programmed cell death (apoptosis) of overactive immune cells in order to prevent an excessive immune response.

    Tregs are able to dynamically adapt their number and activity to the respective requirements of the immune system. During an infection, they can initially be less active to enable an effective immune response. After the end of the infection, however, they are activated to downregulate the immune response and protect the tissue.

    Significance for autoimmunity and cancer
    A dysfunction of the Tregs can lead to autoimmune diseases, as the immune system is no longer sufficiently regulated and attacks the body’s own tissues. However, Tregs can weaken the immune response in cancer and thus help the tumor to evade the body’s own defenses.

    Regulatory T cells are therefore crucial for the fine-tuning and balance of the immune system, not only by specifically weakening the immune response, but also by reducing the risk of autoimmunity and maintaining tolerance to the body’s own tissues. This precise regulation is particularly important in the shutdown phase of the immune system, which begins after a successful immune response.

    5.5.11. Switch-Off Phase

    After fighting an infection, the immune system must be carefully downregulated to prevent damage to the body. If this shutdown process does not function correctly, autoimmune diseases or chronic inflammation can occur.

    Most immune cells activated during an infection die after their work is done, preventing damage to the body from an excess of immune cells. However, some cells survive and become what are known as memory cells, which help the body respond more rapidly to future infections. Immune cells can die in various ways, such as through apoptosis (programmed cell death) or necroptosis (a form of cell decay). These processes are essential for calming the immune system and restoring balance after an infection.

    Control of the immune response

    Regulatory T cells: After a successful immune response, regulatory T cells produce inhibitors that suppress plasma cells and killer cells, thereby stopping the immune reaction.

    Role of antigens: Antigens – foreign substances that trigger an immune response – typically disappear from the body after an infection. This signals to immune cells that their work is complete, and in the absence of antigens, many of these cells initiate their own death through apoptosis.

    However, if small amounts of antigens remain in the body, this can have various effects. On one hand, it may prolong the immune response, which can sometimes be beneficial to ensure the infection is fully eliminated. On the other hand, it can lead to unnecessary survival and persistent activation of immune cells, increasing the risk of chronic inflammation or autoimmune reactions.

    There are also situations where the presence of residual antigens helps maintain a certain level of immune activity, which can be especially important in cases of chronic infections or in tumor immunology. Here, a low, continuous antigenic stimulation can keep the immune system in a „state of vigilance”, providing protection against a recurrence of the disease.

    Overall, the impact of residual antigens strongly depends on the context: while in some cases it may be necessary and useful, in other cases it may lead to undesirable immunological reactions.

    Importance of interleukin-2 (IL-2): IL-2 is a messenger substance of the immune system that promotes the survival and proliferation of T cells. However, depending on the situation, IL-2 can also lead to the death of T cells, which shows how complex and finely tuned the regulation of the immune system is.

    Energy management in immune cells: Activated immune cells change their metabolism to adapt to the needs during an infection. For example, they utilise more glucose to gain energy. At the end of the immune response, they must return to a „resting mode” in order to become memory cells.

    5.5.12. Immunological Memory

    As we have learned, the immune response activates specialized cells to combat the pathogen. This process not only triggers acute defense mechanisms but also generates memory cells. These memory cells, consisting of long-lived T and B cells, store specific information about the pathogen and form the immunological memory. This memory enables the immune system to „remember” previously encountered pathogens and respond more quickly and effectively upon re-exposure. Unlike effector cells, which die during or shortly after infection, memory cells have a very long lifespan. Thus, immunological memory contributes to the development of long-lasting, specific immunity.

    T memory cells

    During an infection, the development of memory T cells begins in the early phases of the immune response. As soon as a naive T cell recognizes its specific antigen via an MHC complex on an antigen-presenting cell (APC), it gets activated and starts to rapidly proliferate. Within a few days, a single activated T cell can grow to thousands to millions of clones – this process is called clonal expansion. While some of these expanded T cells become effector T cells that are directly involved in fighting the pathogen, others differentiate into memory T cells.

    T memory cells are characterized by their long lifespan, often lasting for decades, and they retain the specific genetic information from the original T cell receptor recombination. They circulate between the blood and secondary lymphoid organs, such as lymph nodes and the spleen, constantly searching for a re-encounter with their specific antigen.

    If T memory cells encounter the same pathogen again, a rapid and effective immune response occurs within hours. Unlike naive T cells, they do not require constant activation by endogenous molecules, allowing them to respond swiftly and efficiently upon re-exposure.

    Moreover, memory T cells are generally more numerous than their naive counterparts. This abundance allows for a rapid response to re-exposure to the same pathogen, making the immune response so effective that often no symptoms of illness occur.

    B memory cells

    Following their activation, B cells undergo a phase of intensive proliferation, similar to T cells. Most of these cells develop into plasma cells that produce antibodies, such as IgG in the bloodstream or IgA on mucous membranes. However, some B cells differentiate into memory B cells, which are formed during affinity maturation and after the acute immune response has been completed.

    Memory B cells circulate through the bloodstream and secondary lymphoid organs, such as the lymph nodes and spleen, in search of their specific antigen. In their „dormant” state, they are ready to be activated quickly when they encounter the antigen again.

    Once memory B cells recognize their target antigen, they rapidly differentiate into plasma cells that produce either IgG antibodies in the blood or IgA antibodies on mucous membranes to neutralize the pathogen. This mobility and continuous monitoring of blood, mucous membranes and lymphoid tissues are crucial for their role in the secondary immune response.

    Remark
    The exact mechanisms that control the development, survival and control of memory cells are not yet fully understood. [Terminating the Immune Response]

    A very nice summary of the adaptive immune response can be found in these videos:
    Cellular Immunity – Adaptive Immunity part 1
    Humoral Immunity – Adaptive Immunity part 2

    5.6. Summary

    Fig. 88: The phases of the immune response during an infection

    The diagram illustrates the phases of the immune response during an infection, starting with the invasion of pathogens and ending with their elimination. It shows the time course of the infection (x-axis) and the number of pathogens in the body (y-axis) in relation to the immune response.

    Establishment of an infection: This is the initial phase of the infection, immediately after the pathogens have entered the body. During this phase, the pathogens begin to multiply and the body’s innate defense mechanisms, such as macrophages and natural killer cells, attempt to contain the infection. When the pathogens successfully overcome the first lines of defense, the infection becomes established. At this stage, the number of pathogens is still relatively low, but can increase rapidly.

    Activation phase: As soon as the number of pathogens exceeds a certain threshold, which is determined by the amount of antigen, the adaptive immune response begins. This phase involves the activation of T cells and B cells, which are specific immune cells that can specifically recognize and fight the pathogen. This phase lasts several days, as the immune system has to develop the appropriate defense mechanisms. The number of pathogens can continue to increase while the adaptive immune response is being prepared.

    Effector phase: In this phase, the adaptive immune response is fully activated. T cells and antibodies specifically attack the pathogens and destroy them. The number of pathogens peaks and then declines rapidly as the immune system gains control of the infection. This is the decisive phase in which the pathogen is finally eliminated.

    Memory phase: After the pathogen has been eliminated, the immune response enters the memory phase. In this phase, memory cells (specific T and B cells) remain in the body, which are prepared for a renewed infection with the same pathogen. These cells enable a faster and more effective immune response should the organism be confronted with the same pathogen again. The pathogens have been eliminated and the immune system has developed a „memory” for this specific pathogen.

    From the initial establishment of the infection to the activation and effector phases of the adaptive immune response, and finally to long-term memory formation, it becomes clear how the immune system reacts to pathogens and adapts to future infections. At the end of this process, the body is prepared and capable of responding more quickly and effectively to the same pathogen.

    One becomes immune.

    6. Hidden Defense – The Power of
    Cross-Immunity

    When our body comes into contact with a pathogen, it triggers an astonishingly complex defense reaction. Instead of relying on just one specific type of antibody, our immune system produces a variety of different antibodies that attack different parts of the pathogen.

    A foreign molecule (antigen) that the immune system recognizes often consists of several small sections, the so-called epitopes. These epitopes are specific areas on the surface of the antigen that are recognized by antibodies or T-cell receptors. Each epitope has a unique structure that can be bound by different antibodies. The immune system often focuses on the most important areas of the pathogen, such as the binding sites on host cells, like the spike protein, or other functionally important proteins that are important for virus structure and replication, such as membrane proteins.

    This leads to the production of not just antibodies targeting a single part of the virus, but a whole range of antibodies that attack different sections of the virus. This diverse immune response helps combat the pathogen in various ways and increases the chances of neutralizing it effectively.

    Fig. 89: Interaction of virus and immune system: structures, epitopes and antibodies

    1) This image shows a schematic representation of a virus with spike proteins protruding from its surface. These spike proteins, which are required for binding to host cells, are characteristic of some virus species. In addition, smaller membrane and envelope proteins are embedded in the viral envelope, which contribute to the stability and function of the virus. 2) Various epitopes are visible on the spike protein – specific areas to which antibodies can bind. Membrane and envelope proteins can also serve as target structures for antibodies. 3) Specific antibodies bind to the epitopes of the spike protein as well as to the membrane and envelope protein. Through targeted binding, the antibodies block the function of the virus and neutralize it.

    In the world of microbes, however, there is a constant race. Viruses and bacteria change in order to escape the immune system. They alter their surface structures so that they are recognized as „new”, making previous immune responses less effective.

    However, these changes to the surface structures are often minor. This means that only certain parts of the pathogen change, but not all. For example, if you were previously infected with a flu virus, it is possible that some of the antibodies formed can also bind to a slightly modified flu virus.

    This is where cross-immunity comes into play: even if the virus has mutated, some antibodies that were originally directed against the old pathogen can recognize similar areas of the new pathogen. This means that the immune system is also able to react to related viruses, even if they are slightly altered.

    Fig. 90: Comparison of old and new virus variants

    On the left is a schematic representation of an older virus with intact proteins (spike, envelope, and membrane proteins). On the right is the new virus, which exhibits altered epitopes in the spike and membrane proteins but has an unchanged envelope protein. In the center, antibodies are depicted that, despite the changes in the new virus, can still bind to certain epitopes of the spike protein as well as to the envelope protein.

    Cross-immunity is a fascinating concept that illustrates how our immune system responds not only to well-known pathogens but also to related pathogens that share similar characteristics. It refers to the body’s ability to be partially protected against related pathogens due to a previous infection with a specific pathogen. This can mean that a person may experience a milder illness or even complete protection when re-infected with a similar virus.

    Typically, the immune response in cross-immunity is somewhat weaker because the antibodies do not perfectly match the new virus. Their binding ability is often reduced, which means they are less effective at fully neutralizing the new virus. Nevertheless, this attenuated response can help alleviate the disease or bring the pathogen under control more quickly.

    When the immune system encounters a new virus variant that differs significantly, it begins to produce new and more specific antibodies. However, the pre-existing antibodies from cross-immunity can provide the body with a slight advantage by partially combating the pathogen until a more targeted defense is established.

    Cross-immunity impressively demonstrates how flexible and adaptable our immune system is in the constant race against pathogens.

    7. Key Takeaways

    A masterpiece of nature: Our immune system is the result of millions of years of evolution. It functions like a highly developed and powerful army that is constantly ready to protect us. It is constantly adapting and evolving to effectively counter new threats.

    NON-SELF vs. SELF: The basic principle of the immune system is to distinguish between the body’s own cells and foreign cells.

    Protected from birth:  From birth, humans have at least one immune cell for every potential pathogen on the planet.

    The role of lymph nodes: The adaptive immune response requires pathogens or their parts to enter the lymph nodes (or secondary lymphoid organs) in order to initiate the production of antibodies.

    Two types of immune protection: There is the systemic immune system, which protects the entire body with IgG antibodies, and the mucosal immune system, which defends the mucous membranes with IgA antibodies.

    Cross immunity: Cross-immunity describes the ability of the immune system to be protected against new, related pathogens as a result of a previous infection with a similar pathogen. This can provide an additional protective mechanism.

    8. Closing words

    The insights into our immune system presented here provide an exciting overview of the biological processes that protect our body from threats and ensure our survival. Even though we already know a lot about how the immune system works, much remains undiscovered and incompletely researched.

    An interesting example of the ongoing development of our knowledge is the concept of „trained immunity”. For a long time, innate immunity was considered rigid and unchangeable – a nonspecific defense line of the body primarily responding to acute threats. Unlike adaptive immunity, which is characterized by the memory of T and B cells, innate immunity seemed incapable of adapting or learning. However, recent research has shown that innate immunity can also develop a form of „memory”. Certain cells of the innate immune system, such as macrophages and natural killer cells, can be modified by previous encounters with pathogens, enabling them to respond more quickly and effectively in later infections. Epigenetic changes allow these cells to remain present in tissues for extended periods and support immune defense. [Innate immune cells are more adaptive than expected] This newly discovered potential expands our understanding of innate immunity and shows that this non-specific defense also has a remarkable ability to adapt.

    Even though we have not yet discovered and understood everything, we do understand one thing: this fascinating and invisible world within us is the key to our health and well-being, and it therefore deserves our ongoing attention and care.

    Links for those interested

    Immunology textbook in German
    Janeway Immunologie © 2018

    The book guides the reader through all aspects of the immune system – from the initial deployment of innate immunity to the generation of the adaptive immune response.

    Chapter 1 – Basic concepts of immunology
    Chapter 2 – Innate immunity
    Chapter 3 – The induced reactions of innate immunity
    Chapter 4 – Antigen recognition by B-cell and T-cell receptors
    Chapter 5 – The development of antigen receptors in lymphocytes
    Chapter 6 – How antigens are presented to T lymphocytes
    Chapter 7 – Signaling through receptors of the immune system
    Chapter 8 – The development of B and T lymphocytes
    Chapter 9 – T cell-mediated immunity
    Chapter 10 – The humoral immune response
    Chapter 11 – The dynamics of the innate and adaptive immune response
    Chapter 12 – The mucosal immune system
    Chapter 13 – The failure of the immune response
    Chapter 14 – Allergies and allergic diseases
    Chapter 15 – Autoimmunity and transplantation
    Attachments

    The following links offer an excellent series of explanatory videos on the subject of the immune system. They explain the most important aspects and functions of the immune system in a clear and understandable way.

    How The Immune System ACTUALLY Works
    You Are Immune Against Every Disease
    Little bombs in the blood – the complement system

    The book „The Natural History of the Immune System” by Clemens Arvay [ISBN 978-3-86995-119-5] offers a comprehensive and understandable presentation of how the immune system works from an evolutionary biology perspective. Arvay explains how the immune system has developed in the course of evolution and what role it plays today. The book is of interest to both laypeople and experts who want to learn more about the complex interrelationships in the immune system.

    Sources (as of 06.11.2024)

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  • Die Wunderwelt des Lebens: Zellen, Proteine und das Immunsystem

    Die Wunderwelt des Lebens: Zellen, Proteine und das Immunsystem

    Das Leben in seiner unglaublichen Vielfalt und Komplexität ist das Ergebnis eines faszinierenden Zusammenspiels unzähliger biologischer Prozesse und Strukturen, die oft im Verborgenen wirken. Jede Zelle in unserem Körper, so unscheinbar sie auch erscheinen mag, ist ein kleines Wunderwerk der Natur. Sie beherbergt eine Vielzahl von Proteinen, die wie winzige Maschinen unermüdlich daran arbeiten, das Leben zu bewahren. Diese Proteine sorgen nicht nur dafür, dass unsere Zellen ihre täglichen Aufgaben erfüllen, sondern spielen auch eine entscheidende Rolle im Schutz unseres Körpers.

    Unser Immunsystem, eine der beeindruckendsten Schöpfungen der Evolution, verteidigt uns gegen zahllose Bedrohungen – von eindringenden Mikroorganismen bis hin zu entarteten Zellen, die unsere Gesundheit gefährden können. Dieses Abwehrsystem ist ein komplexes Netz aus Zellen, Proteinen und chemischen Signalen, die gemeinsam den Unterschied zwischen Gesundheit und Krankheit ausmachen.

    In dieser Abhandlung werden wir uns auf diese „Wunderwelt des Lebens“ konzentrieren und insbesondere das Immunsystem in den Blick nehmen. Ziel dieser Ausarbeitung ist es, einen umfassenden und verständlichen Einblick in die Funktionsweise des Immunsystems zu vermitteln. Es empfiehlt sich, die Kapitel in der vorgegebenen Reihenfolge zu lesen, damit die Informationen schrittweise aufeinander aufbauen und ein tieferes Verständnis des Themas ermöglichen.

    Tauchen wir nun ein in diese Wunderwelt des Lebens, um zu verstehen, wie das Unsichtbare unser Leben bewahrt.

    1. Ein Blick unter die Haut – eine Reise ins Innere
    2. Die Zelle – der Urbaustein
    3. Proteine – die Bausteine des Lebens
    4. Vom Code zum Protein – zelluläre Mechanismen
    5. Das Schutzschild des Körpers – unser Immunsystem
    6. Verborgene Verteidigung – die Macht der Kreuzimmunität
    7. Wichtige Erkenntnisse zum Mitnehmen
    8. Schlusswort

    Vollständiges Inhaltsverzeichnis

    1. Ein Blick unter die Haut – eine Reise ins Innere
    2. Die Zelle – der Urbaustein
    3. Proteine – die Bausteine des Lebens
    4. Vom Code zum Protein – zelluläre Mechanismen
    4.1. Von Signalen zu Aktionen
    4.2. Die Proteinbiosynthese
    4.2.1. Transkription
    4.2.2. Translation
    4.3. Das Protein
    5. Das Schutzschild des Körpers – unser Immunsystem
    5.1. Ursprung der Immunzellen
    5.2. Mechanismen der Immunerkennung: FREMD vs. SELBST
    5.2. a) SELBST-Marker: MHC-Moleküle
    5.2. b) SELBST-Marker: Molekül CD47
    5.2. c) SELBST-Marker: Sialinsäure
    5.3. Die unspezifische Immunabwehr
    I – Erste Verteidigungslinie: mechanische und chemische Barrieren
    II – Zweite Verteidigungslinie: die weißen Blutkörperchen
    5.3. a) Granulozyten
    5.3. b) Makrophagen
    5.3. c) Dendritische Zellen
    5.3. d) Natürliche Killerzellen
    5.4. Das Komplementsystem
    5.5. Die spezifische Immunabwehr
    5.5.1. Schlüsselspieler der adaptiven Immunantwort
    5.5.1. a) Entwicklung und Reifung der Lymphozyten
    5.5.1. b) Humorale und Zelluläre Abwehrmechanismen
    5.5.1. c) Migration und Verteilung der Lymphozyten
    5.5.1. d) Struktur der lymphatischen Organe
    5.5.2. Naive B- und T-Zellen: Die Vielfalt der Immunantwort
    5.5.3. Die Rolle der antigenpräsentierenden Zellen (APCs)
    5.5.3. a) Antigenpräsentation über MHC-II-Moleküle
    5.5.3. b) Antigenpräsentation über MHC-I-Moleküle
    5.5.3. c) Dendritische Zellen wandern zu den Lymphknoten
    5.5.4. Die Bedeutung der Lymphknoten für die adaptive Immunantwort
    5.5.5. Erkennungsphase
    5.5.6. Aktivierungsphase
    5.5.6. a) T-Zell-Aktivierung
    5.5.6. b) B-Zell-Aktivierung
    5.5.7. Effektorphase
    5.5.7. a) T-Helferzellen
    5.5.7. b) Zytotoxische T-Zellen
    5.5.7. c) Plasmazellen
    III – Dritte Verteidungslinie: die Antikörper
    5.5.8. Arten von Antikörpern
    5.5.8. a) IgM – der erste Antikörper
    5.5.8. b) Klassenwechsel (Isotypenswitch) zu IgG
    5.5.8. c) IgA – die Schutzbarriere der Schleimhäute
    5.5.8. d) Schleimhautimmunität: Warum IgG dafür ungeeignet ist
    5.5.9. Die Wirkungsphase der Antikörper
    5.5.10. Regulatorische T-Zellen und ihre Rolle im Immunsystem
    5.5.11. Abschaltphase
    5.5.12. Gedächtnisphase
    5.6. Zusammenfassung
    6. Verborgene Verteidigung – die Macht der Kreuzimmunität
    7. Wichtige Erkenntnisse zum Mitnehmen
    8. Schlusswort

    1. Ein Blick unter die Haut – eine Reise ins Innere

    Der Organismus, der lebende Körper eines Menschen, ist ein faszinierendes Konstrukt, das auf mehreren Ebenen der Organisation funktioniert. Diese Organisationsstruktur ist das unsichtbare Band, das die Zellen verbindet, die Gewebe webt und die Organe formt.

    Abb. 1: Der Organismus ist die höchste Organisationsebene.

    Um das komplexe Zusammenspiel zu verdeutlichen, zoomen wir näher heran, beginnend mit einem Blick auf die Ebene der Organsysteme.

    Organismus ➔ Organsysteme

    Organsysteme sind essenzielle Einheiten im menschlichen Körper, die Struktur und Funktion miteinander verbinden. Zu den wichtigsten Organsystemen gehören das Herz-Kreislauf-System, das Atmungssystem, das Verdauungssystem, das Nervensystem, das Endokrine System (Hormonsystem), das Immunsystem, das Harnsystem und das Fortpflanzungssystem. Jedes dieser Systeme erfüllt eine einzigartige Funktion, die zur Gesamtfunktion des Organismus beiträgt.

    Abb. 2: Organisationsebene: Organsysteme

    Das Verdauungssystem ist für die Verdauung und Aufnahme von Nährstoffen verantwortlich. Die Aufgabe des Atmungssystems besteht darin, Sauerstoff aufzunehmen und Kohlendioxid zu entfernen. Das Herz-Kreislauf-System befördert Blut durch den Körper, um Nährstoffe und Sauerstoff zu den Zellen zu transportieren und Abfallprodukte zu entfernen.

    Ein Organsystem setzt sich aus einem einzelnen Organ oder einer Gruppe von Organen zusammen, die eng miteinander verbunden sind. Wenn wir näher heranzoomen, können wir die einzelnen Organe betrachten.

    Organismus ➔ Organsysteme ➔ Organe

    Organe sind wichtige Teile des Körpers, die bestimmte Aufgaben erledigen. Jedes Organ hat seine eigene klare Form und Funktion. Die verschiedenen Organe arbeiten zusammen wie ein gut eingespieltes Team. Beispiele für Organe sind das Herz, die Lunge, die Leber und das Gehirn.

    Abb. 3: Organisationsebene: Organe

    Das Herz pumpt Blut durch den Körper, während die Lunge für den Gasaustausch verantwortlich ist. Neben vielen anderen Aufgaben kontrolliert das Gehirn die Atmung und den Herzschlag. Der Magen zerkleinert und vermischt Nahrung, der Darm entnimmt der Nahrung die Nährstoffe, und die Leber unterstützt die Verdauung und entgiftet.

    Organe bestehen aus verschiedenen Geweben, die eng miteinander verbunden sind und zusammenarbeiten, um die Funktion des Organs zu unterstützen. Wenn wir noch weiter hineinzoomen, sehen wir die Gewebe, die das Organ bilden.

    Organismus ➔ Organsysteme ➔ Organe ➔ Gewebe

    Verschiedene Gewebe im Körper erfüllen unterschiedliche Aufgaben und sind auf die Bedürfnisse der Organe abgestimmt, die sie unterstützen. Indem sie zusammenarbeiten, ermöglichen sie eine Vielzahl von physiologischen Prozessen, einschließlich Bewegung, Sinneswahrnehmung, Verdauung und Immunabwehr.

    Es gibt vier Hauptarten von Geweben im menschlichen Körper: Muskelgewebe, Bindegewebe, Epithelgewebe und Nervengewebe.

    Abb. 4: Organisationsebene: Gewebe

    Um beim Beispiel des Herzens zu bleiben, ermöglicht das Muskelgewebe, Blut durch den Körper zu pumpen, während das Nervengewebe die elektrischen Signale steuert, die die Herzaktion regulieren. Das Bindegewebe bietet strukturelle Unterstützung und verbindet die verschiedenen Teile des Herzens miteinander, während das Epithelgewebe die inneren Oberflächen des Herzens auskleidet und schützt.

    Bei der Lunge ermöglicht das Epithelgewebe den Gasaustausch. Das Bindegewebe unterstützt die Struktur und verbindet die verschiedenen Gewebekomponenten miteinander. Das glatte Muskelgewebe in den Wänden der Atemwege ermöglicht die Regulation des Luftstroms. Schließlich übermittelt das Nervengewebe Signale an das Gehirn, um die Atembewegungen zu steuern.

    Gewebe bestehen aus einer Vielzahl von Zellen, die sich zusammenschließen, um gemeinsam eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen. Noch näher herangezoomt können wir die einzelnen Zellen erkennen.

    Organismus ➔ Organsysteme ➔ Organe ➔ Gewebe ➔ Zellen

    Zellen sind die grundlegenden Bausteine von Geweben. Sie sind oft auf spezifische Funktionen innerhalb des Gewebes spezialisiert. Sie können unterschiedliche Formen, Größen und Strukturen haben, die an ihre jeweilige Funktion angepasst sind. Zum Beispiel sind Zellen in Muskelgewebe auf die Kontraktion spezialisiert, während Zellen in Epithelgewebe auf den Schutz und die Absorption spezialisiert sind.

    Abb. 5: Organisationsebene: Zellen

    Neben den spezialisierten Zellen, die spezifische Aufgaben im Gewebe erfüllen, gibt es auch einen besonderen Zelltyp: die Stammzellen. Im Gegensatz zu anderen Zellen im Körper haben Stammzellen die erstaunliche Fähigkeit, sich in viele verschiedene Zelltypen zu verwandeln. Sie sind wie die „Rohlinge“ des Körpers – noch nicht auf eine bestimmte Aufgabe festgelegt und voller Möglichkeiten. Wenn der Körper sie braucht, können Stammzellen zu Muskelzellen werden, zu Nervenzellen oder zu Zellen des Immunsystems.

    Stammzellen

    Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Stammzellen: embryonale und adulte Stammzellen. Embryonale Stammzellen kommen in den frühen Stadien eines Embryos vor, wenn er gerade erst entsteht. Diese Zellen haben die einzigartige Fähigkeit, sich praktisch in jeden Zelltyp im menschlichen Körper zu entwickeln. Sie sind wie die Bausteine, aus denen alle Teile des Körpers gebaut werden können.

    Im erwachsenen Körper hingegen gibt es die adulten Stammzellen. Sie sind in verschiedenen Geweben und Organen vorhanden. Im Vergleich zu embryonalen Stammzellen können adulte Stammzellen nicht zu jedem Zelltyp im Körper werden. Sie können sich nur in die Zelltypen verwandeln, die in dem Gewebe vorkommen, aus dem sie stammen. Zum Beispiel gibt es Hautstammzellen in der Haut oder Leberstammzellen in der Leber.

    Was diese Stammzellen so besonders macht, ist ihre Fähigkeit zur Reparatur. Wenn im Körper Zellen beschädigt oder abgestorben sind, können diese Stammzellen an diesen Ort wandern und neue, gesunde Zellen „bauen“, um die beschädigten zu ersetzen.

    Stammzellen können sich kontinuierlich teilen. Dies stellt sicher, dass es immer einen Vorrat an Stammzellen gibt, die sich in die benötigten Zellen differenzieren (verwandeln) können, die der Körper gerade braucht. Wenn zum Beispiel Leberzellen beschädigt sind, können Leberstammzellen einspringen, sich teilen und neue, gesunde Leberzellen bilden.

    Adulte Stammzellen spielen eine wichtige Rolle dabei, unseren Körper gesund zu halten, indem sie bei Bedarf neue Zellen produzieren und beschädigtes Gewebe reparieren.

    Zellen in Geweben kommunizieren und interagieren miteinander über komplexe Signalwege und Moleküle. Diese Kommunikation ist entscheidend für die Koordination von Zellaktivitäten und die Aufrechterhaltung der Funktion des Gewebes als Ganzes.

    In jeder Zelle findet eine Vielzahl von Prozessen statt, die für das Wachstum, die Entwicklung und das Überleben des Organismus von entscheidender Bedeutung sind. Zellen sind die Urbausteine aller lebenden Organismen. Alles Leben, von den kleinsten Mikroorganismen bis hin zu den größten Tieren, besteht aus diesen winzigen, aber unglaublich komplexen Einheiten. Jede Zelle ist eine erstaunliche Welt für sich, gefüllt mit Molekülen und chemischen Reaktionen, die das Leben ermöglichen.

    Man kann sagen: Das Leben beginnt mit der Zelle.

    2. Die Zelle – der Urbaustein

    Das Leben auf unserem Planeten ist ein faszinierendes Wunder, das auf mikroskopischer Ebene in der Zelle seinen Anfang nimmt. Diese winzigen Bausteine des Lebens sind die Grundlage für alles Lebendige.

    Der Mensch entwickelt sich aus zwei winzigen Zellen – der Eizelle und der Samenzelle. In den ersten Wochen nach der Befruchtung durchläuft der Embryo einen Prozess, bei dem er von einer befruchteten Eizelle zu einer Vielzahl von Zellen wird, aus denen sich alle Organe und Gewebe bilden. Ab dem Zeitpunkt, an dem der Embryo als Fötus bezeichnet wird – normalerweise ab der achten Schwangerschaftswoche – sind die meisten Organe und Gewebe angelegt. Von da an konzentriert sich die Entwicklung hauptsächlich auf das Wachstum und die Reifung dieser Strukturen. Es wird geschätzt, dass ein Neugeborenes aus etwa 20 bis 30 Billionen Zellen besteht, während ein durchschnittlicher erwachsener Mensch etwa 30 bis 40 Billionen Zellen hat. Eine Studie, veröffentlicht im Fachjournal PNAS, unterteilt den menschlichen Körper in 60 Gewebesysteme, 400 Hauptzelltypen und 1264 separate Zellgruppen.

    Eine kurze und übersichtliche Einführung in den Zell-Aufbau kommt von der amerikanischen Agentur für digitale Kommunikation Nucleus Medical Media. [Spektrum] Sie soll uns auf die nächsten Erläuterungen einstimmen.

    Obwohl der menschliche Körper aus vielen verschiedenen Zelltypen besteht, haben sie alle eine ähnliche Grundstruktur. Jede Zelle ist von einer schützenden Hülle, der Zellmembran, umgeben. Im Inneren der Zelle, in einer gelartigen Substanz namens Zytoplasma, finden sich viele kleine, spezialisierte Strukturen, die Organellen genannt werden. Man kann sich diese Organellen wie winzige Maschinen oder Werkstätten innerhalb der Zelle vorstellen, die jeweils eine spezielle Aufgabe erfüllen.

    Eines dieser wichtigen Organellen ist der Zellkern. Der Zellkern ist wie das Steuerzentrum der Zelle – er enthält die Erbinformationen (DNA) und gibt den anderen Organellen Anweisungen, wie sie arbeiten sollen. Es gibt eine Ausnahme: rote Blutzellen. Diese Zellen sind so auf ihre Aufgabe spezialisiert, dass sie keinen Zellkern mehr haben.

    Abb. 6: Die tierische Zelle (eine Form der eukaryotischen Zellen)
    Jedes Zellorganell erfüllt spezifische Aufgaben

    Zellkern: Der Zellkern (Nukleus) speichert die genetische Information der Zelle (DNA) und steuert alle Aktivitäten der Zelle. Er ist von einer Schutzschicht (Zellmembran) umgeben.
    Kernkörperchen: Das Kernkörperchen (Nukleolus) ist eine kleine Struktur im Zellkern. Hier werden die Ribosome (molekulare Werkstätten) hergestellt, die für die Produktion von Proteinen gebraucht werden.
    Ribosome: Diese kleinen Teile stellen Proteine her, die für viele Vorgänge in der Zelle wichtig sind. Sie können frei im Zellinneren schwimmen oder am endoplasmatischen Retikulum sitzen.
    Endoplasmatisches Retikulum (ER): Das ER ist ein Netz aus Röhren innerhalb der Zelle, das Proteine und Lipide (Fette) transportiert und teilweise auch selbst herstellt.
    Golgi-Apparat: Der Golgi-Apparat ist wie eine Versandzentrale. Er verpackt und verschickt Proteine und Lipide (die aus dem ER kommen) an die richtigen Stellen in der Zelle oder nach außen.
    Mitochondrien: Diese Organellen werden oft als „Kraftwerke“ der Zelle bezeichnet, weil sie die Energie produzieren, die die Zelle zum Arbeiten braucht.
    Lysosome: Lysosome sind wie Müllabfuhr der Zelle. Sie enthalten Enzyme, die alte Zellbestandteile und Abfallstoffe abbauen.
    Zytoskelett: Das Zytoskelett ist ein Netzwerk aus Proteinfasern, das der Zelle ihre Form gibt, sie stabilisiert und auch für Bewegung sorgt.

    Leben, wie wir es verstehen, erfordert im Wesentlichen drei grundlegende Elemente. Erstens eine Zellmembran, die das Innere der Zelle von der äußeren Umgebung abgrenzt. Zweitens ist ein Stoffwechsel notwendig, um Energie aus der Umgebung zu gewinnen. Und drittens braucht es genetische Information, um lebenswichtige Prozesse zu steuern und zu regulieren. Alle lebenden Organismen basieren auf diesen drei Prinzipien: Zellhülle, Stoffwechsel und Information, die zusammenkommen müssen, um Leben zu ermöglichen. Dabei ist die Information, die in der DNA enthalten ist, die wichtigste Zutat für das Leben. [Woher kommt das Leben?]

    In den Tiefen der Zelle verbirgt sich die DNA – das Geheimnis des Lebens. Sie offenbart sich als ein beeindruckendes Geflecht von Molekülen. Diese Moleküle tragen den genetischen Code, der die Vielfalt und Komplexität des Lebens bestimmt. Man nennt die DNA deshalb auch das Buch des Lebens, denn sie enthält die Anweisungen für die Entwicklung und Funktionsweise jedes Organismus auf unserem Planeten. Durch das Lesen der DNA entstehen Proteine, die die eigentlichen Ausführenden dieser Anweisungen sind. Proteine formen die Strukturen, katalysieren Reaktionen und übertragen Signale, die das Leben in all seinen Formen ermöglichen. Sie sind die Bausteine, aus denen alles Lebendige besteht  und die Werkzeuge, die uns zum Leben erwecken.

    Von der Zelle über die DNA bis hin zu den Proteinen – das Leben ist ein atemberaubendes Zusammenspiel von Molekülen und Prozessen, die eine unendliche Vielfalt von Formen und Funktionen hervorbringen. In jedem winzigen Teilchen, das das Leben ausmacht, liegt eine tiefe Faszination und ein unermessliches Wunder verborgen.

    Erklärung DNA

    Die DNA, oder Desoxyribonukleinsäure, ist eine biomolekulare Struktur, die als genetisches Material in den Zellen aller Lebewesen fungiert und sich im Zellkern jeder Zelle befindet. Sie speichert die gesamte Erbinformation, also die vollständige Bau- und Funktionsanleitung für unseren Körper.

    Abb. 6-A: Die DNA enthält die Erbinformation

    Die DNA ähnelt strukturell einer Strickleiter. Sie besteht aus zwei langen Seiten, die die „Stränge“ der DNA repräsentieren. Jede „Sprosse“ der Leiter besteht aus zwei Nukleotiden, den chemischen Bausteinen der DNA, bestehend aus einer Base, einem Zucker (Desoxyribose) und einer Phosphatgruppe. Die Basenpaare fungieren als Sprossen, während die Stränge der DNA die Strickleiterstruktur zusammenhalten, indem sie abwechselnd aus Zucker und Phosphat bestehen.

    Abb. 6-B: Nukleotide sind die Grundbausteine der DNA

    Die zwei Nukleotid-Ketten sind um die eigene Achse schraubenförmig gedreht. Die Struktur kann man sich wie eine verdrehte Strickleiter oder Wendeltreppe vorstellen. In der Biologie nennt man diese Spirale DNA-Doppelhelix (Doppel, weil es zwei Nukleotid-Ketten sind – doppelt hält eben besser). Diese dreidimensionale Struktur gibt der DNA nicht nur Stabilität, sondern spart auch Platz. Denn wenn man die DNA einer menschlichen Zelle komplett ausrollen würde, wäre sie stolze zwei Meter lang – das Leben hängt also buchstäblich an einem ziemlich langen, aber hauchdünnen Faden!

    In der DNA treten vier verschiedene Arten von Basen auf: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T). Diese Basen paaren sich immer auf die gleiche Weise, wobei Adenin (A) an Thymin (T) und Cytosin (C) an Guanin (G) bindet. Diese Bindung ist komplementär, wobei jeder DNA-Strang die Negativversion des anderen Strangs darstellt.

    Die Anordnung dieser Basenpaare bildet den genetischen Code, der die Informationen für die Herstellung von Proteinen trägt, die für die Struktur, Funktion und Regulation der Körperzellen, Gewebe und Organe eines Organismus notwendig sind.

    Jedes Gen ist ein spezifischer Abschnitt der DNA, der die Anweisungen für die Bildung eines bestimmten Proteins enthält. Die DNA fungiert somit als „Rezeptbuch“ des Lebens, das die Entwicklung und Funktion eines Organismus bestimmt und auch für die Vererbung von Merkmalen von einer Generation zur nächsten verantwortlich ist. Bei jeder Zellteilung wird die DNA kopiert und an die neuen Zellen weitergegeben, wodurch die genetische Information von Generation zu Generation weitergegeben wird.

    Mutationen in der DNA-Sequenz können zu Veränderungen in der Struktur und Funktion von Proteinen führen, die wiederum das Aussehen, die Gesundheit und das Verhalten eines Organismus beeinflussen können. Einige Mutationen können Krankheiten verursachen, während andere möglicherweise keine erkennbaren Auswirkungen haben oder sogar vorteilhaft sein können.

    3. Proteine – die Bausteine des Lebens

    Proteine, die durch das Lesen der DNA entstehen, sind die wahren Architekten des Lebens. Sie erfüllen eine Vielzahl von wichtigen Funktionen im Körper und sind für nahezu alle biologischen Prozesse verantwortlich. Zum einen dienen Proteine als strukturelle Bausteine und bilden die Grundlage für Zellen, Gewebe und Organe. Sie verleihen den Zellen ihre Form und Festigkeit und ermöglichen es ihnen, ihre Funktionen ordnungsgemäß auszuführen.

    Darüber hinaus sind Proteine auch an enzymatischen Reaktionen beteiligt, die den Stoffwechsel antreiben und lebenswichtige chemische Prozesse im Körper regulieren. Des Weiteren dienen Proteine als Botenstoffe und ermöglichen die Kommunikation zwischen Zellen und Geweben. Hormone sind beispielsweise Proteine, die wichtige Signale im Körper übertragen und eine Vielzahl von physiologischen Reaktionen steuern.

    Neben ihrer strukturellen, enzymatischen und signalisierenden Rolle tragen Proteine auch zur Immunität bei, indem sie als Antikörper fungieren und den Körper vor Krankheiten und Infektionen schützen. Sie erkennen und binden sich an fremde Substanzen wie Bakterien und Viren und markieren sie für die Zerstörung durch das Immunsystem.

    Proteine machen bis zu 40% des Volumens des Zytoplasmas aus. Bisher gibt es keine genaue Zahl, wie viele verschiedene Proteine der menschliche Körper herstellen kann. Wissenschaftler schätzen, dass es im menschlichen Körper etwa 20.000 verschiedene Proteine gibt, aber einige Studien deuten darauf hin, dass es sogar noch mehr sein könnten. Die folgenden schematischen Darstellungen verschiedener Proteine sind einer Animation von BioVisions an der Harvard University entnommen. Eine Echtaufnahme eines Proteins kann man hier sehen.

    Abb. 7: Schematische Darstellung von Proteinen [BioVisions]

    Aber wie und wo entstehen diese Allrounder?

    4. Vom Code zum Protein – zelluläre Mechanismen

    4.1. Von Signalen zu Aktionen
    4.2. Die Proteinbiosynthese
    4.2.1. Transkription
    4.2.2. Translation
    4.3. Das Protein

    4.1. Von Signalen zu Aktionen

    Inmitten des lebhaften Treibens in der Zelle finden entscheidende Prozesse statt, die das Leben aufrechterhalten und ermöglichen. Ein solcher Prozess ist die Synthese von Proteinen, den Bausteinen des Lebens. Diese komplexe Aufgabe erfordert präzise Koordination und eine Reihe von Schritten, die sich harmonisch in der Zelle abspielen. Diese Abläufe in der Zelle werden durch das Regulationssystem koordiniert.

    Das Regulationssystem erkennt über äußere Signale oder Veränderungen innerhalb der Zelle, wann ein Bedarf an bestimmten Proteinen besteht. Um die benötigten Proteine zu beschaffen, aktiviert das Regulationssystem sogenannte Transkriptionsfaktoren. Diese Transkriptionsfaktoren können als eine Art Produktionsgehilfen betrachtet werden, von denen es in der Zelle eine große Vielfalt gibt, schätzungsweise Tausende. Jeder von ihnen hat spezifische Berechtigungen und einen genauen Arbeitsauftrag. Transkriptionsfaktoren selbst sind regulatorische Proteine.

    Aktivierte spezifische Transkriptionsfaktoren machen sich nun auf den Weg zum Zellkern, dem Ort, an dem sich das Buch des Lebens – die DNA – befindet. Dieses Buch enthält alle Informationen zu den Proteinen, die die Zelle herstellen kann, in Tausenden von Genen. Daher ist es ein sehr kostbares Buch, denn ohne das Buch des Lebens weiß die Zelle nicht, wie sie die Proteine herstellen soll. Und ohne Proteine kann die Zelle nicht existieren. Das Buch des Lebens wird deshalb an einem sicheren Ort, dem Zellkern, aufbewahrt, um sicherzustellen, dass es nicht beschädigt wird. Man kann sich diesen sicheren Ort wie einen Tresorraum vorstellen, der nur mit einem gültigen Zugangscode betreten werden kann.

    Abb. 8: DNA befindet sich im Zellkern

    Die Kernmembran ist der Sicherheitswall, der den Zellkern umgibt. In ihr befinden sich winzige Kernporen, die Torwächter. Dadurch erlangt der Zellkern die Fähigkeit zu kontrollieren, wer in den Kern hinein oder aus ihm heraus darf. Nur wer sich ausweisen und ein entsprechendes Erkennungssignal vorweisen kann, darf die Kernporen passieren. [„Rush-hour“ am Zellkern, „Wie zappelnde Tentakel unser Erbgut schützen“]

    Abb. 9: Aktivierte Transkriptionsfaktoren auf dem Weg in den Zellkern

    Die aktivierten Transkriptionsfaktoren können die Kernporen passieren und ihren Arbeitsauftrag im Zellkern ausführen. Dort suchen sie gezielt nach spezifischen DNA-Sequenzen in der Nähe des Startpunkts des Zielgens, der als Promotor bekannt ist. Diese DNA-Sequenzen dienen als Ankerpunkte, an denen die Transkriptionsfaktoren binden können, um die Transkription der entsprechenden Gene zu aktivieren (oder zu unterdrücken). Durch die Bindung der Transkriptionsfaktoren an diese spezifischen Stellen wird die RNA-Polymerase angezogen, und damit startet der Prozess der Proteinbiosynthese.

    Abb. 10: Aktivierte Transkriptionsfaktoren binden an die Promotorregion des Zielgens

    4.2. Die Proteinbiosynthese

    Den Prozess der Protein-Herstellung nennt man Proteinbiosynthese und dieser läuft in zwei Teilschritten ab, der Transkription und der Translation.

    Unterschied zwischen DNA und RNA

    Der Unterschied zwischen DNA und RNA ist sehr wichtig, um zu verstehen, wie Leben auf molekularer Ebene funktioniert.

    DNA

    DNA steht für Desoxyribonukleinsäure und ist das Molekül, das die gesamte genetische Information eines Organismus enthält. Du kannst dir die DNA wie ein Rezeptbuch vorstellen, in dem alle Anweisungen stehen, die eine Zelle benötigt, um Proteine zu produzieren und damit verschiedene Aufgaben im Körper zu erfüllen.

    Wichtige Eigenschaften der DNA:

    Struktur: Die DNA hat eine Doppelhelix-Struktur, das heißt, sie besteht aus zwei langen Strängen, die wie eine gedrehte Leiter aussehen.
    Basenpaare: Die DNA ist aus vier Bausteinen, den sogenannten Basen, zusammengesetzt: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Die Basen bilden immer spezifische Paare: Adenin (A) paart sich mit Thymin (T) und Guanin (G) paart sich mit Cytosin (C).
    Funktion: Die DNA speichert langfristig alle Anweisungen, die eine Zelle braucht. Sie ist stabil und verändert sich kaum.

    Abb. 10-A: Unterschied zwischen DNA und RNA

    RNA

    RNA steht für Ribonukleinsäure und ist sehr ähnlich aufgebaut wie die DNA, aber sie hat einige wichtige Unterschiede. Die RNA wird als „Arbeitskopie“ der DNA verwendet, wenn ein bestimmtes Gen abgelesen und umgesetzt werden muss.

    Wichtige Unterschiede zur DNA:

    Struktur: RNA ist in der Regel ein einzelner Strang, während DNA aus zwei Strängen besteht.
    Basen: RNA verwendet fast die gleichen Bausteine wie DNA, aber es gibt einen kleinen Unterschied: Statt Thymin (T) enthält RNA die Base Uracil (U).
    Zucker: Der Zucker, der in der RNA vorkommt, ist Ribose, während in der DNA Desoxyribose vorkommt. Dieser kleine Unterschied macht die RNA etwas instabiler und kurzfristiger als die DNA.

    Warum gibt es eine mRNA?

    mRNA steht für messenger-RNA oder Boten-RNA. Sie ist sozusagen eine Kopie eines bestimmten Abschnitts der DNA und wird benötigt, um die Anweisungen der DNA zur Proteinherstellung zu übermitteln. Hier ist der Grund, warum mRNA gebraucht wird:

    Schutz der DNA: Die DNA bleibt im Zellkern, weil sie sehr wertvoll und empfindlich ist. Sie wird nicht direkt verwendet, um Proteine zu produzieren. Stattdessen wird eine Kopie in Form von mRNA erstellt, die dann zu den „Fabriken“ der Zelle (den Ribosomen) transportiert wird, um dort Proteine herzustellen.

    Arbeitskopie: Die mRNA ist eine temporäre Kopie eines Gens. Sie wird nach ihrer Aufgabe abgebaut. Das macht die RNA perfekt geeignet für kurzfristige Aufgaben, während die DNA dauerhaft und unverändert im Zellkern bleibt.

    Warum unterscheidet sich die mRNA in einer Base (Uracil statt Thymin)?

    Der Wechsel von Thymin (T) in der DNA zu Uracil (U) in der RNA ist evolutionär bedingt und hängt mit der Funktion der beiden Moleküle zusammen:

    Stabilität: Thymin ist chemisch stabiler als Uracil, weshalb es in der DNA vorkommt. Die DNA muss während des gesamten Lebens eines Organismus stabil bleiben, um die genetische Information zu bewahren.

    Effizienz: Uracil ist etwas einfacher herzustellen als Thymin und reicht für die kurzfristigen Aufgaben der RNA völlig aus. Da RNA nur für kurze Zeit existiert und schnell abgebaut wird, muss sie nicht so stabil sein wie DNA. Uracil ist also eine energiesparendere Lösung für die RNA. Durch diese Arbeitsteilung bleibt die DNA geschützt und unverändert, während die RNA als flexible Arbeitskopie die nötigen Aufgaben übernimmt.

    4.2.1. Transkription

    Als Transkription wird die Umwandlung der DNA in RNA bezeichnet. Für die Herstellung der RNA ist ein Enzym, die RNA-Polymerase verantwortlich. Ein Enzym ist ein Protein, das biochemische Reaktionen im Körper beschleunigt.

    Nachdem die Transkriptionsfaktoren an den Promotor gebunden haben, fungieren sie als Plattform oder Ankerpunkt für die RNA-Polymerase. Sie setzt sich auf die Transkriptionsfaktoren oder in deren unmittelbare Nähe und initiiert den Prozess.

    Abb. 11: RNA-Polymerase setzt sich auf die Transkriptionsfaktoren

    Dieser beginnt mit der Entwindung des DNA-Doppelstrangs, wodurch die DNA-Sequenz zugänglich wird. Die RNA-Polymerase bewegt sich entlang der DNA-Sequenz und liest sie ab.

    Abb. 12: Transkription

    Während dieses Prozesses synthetisiert die RNA-Polymerase einen RNA-Strang unter Verwendung von RNA-Nukleotiden, den Bausteinen der RNA. Die Polymerase bildet komplementäre Basenpaare zwischen den RNA-Nukleotiden und den Basen der DNA-Sequenz. Dabei erfolgt die Basenpaarung zwischen Adenin (A) und Uracil (U), sowie zwischen Cytosin (C) und Guanin (G). Der Unterschied zur DNA besteht darin, dass in der RNA-Kopie die Base Thymin (T) durch die Base Uracil (U) ersetzt wird, was ein charakteristisches Merkmal von RNA ist.

    Sobald ein Leseschritt ausgeführt wurde, schließt die RNA-Polymerase die DNA wieder hinter sich. Der Leseprozess endet am Terminator, dem Abschnitt am Ende des Zielgens. Die erzeugte RNA und die Polymerase lösen sich nun von der DNA. Bei diesem Vorgang bleibt die DNA, das „kostbare Buch des Lebens“, unverändert und unbeschädigt.

    Warum wird immer in 5′-3′-Richtung synthetisiert?

    Die DNA besteht aus zwei Strängen, die in entgegengesetzte Richtungen verlaufen. Ein Strang verläuft in 5′ zu 3′-Richtung, der andere in 3′ zu 5′-Richtung. Diese beiden Stränge sind komplementär zueinander.

    Die RNA-Polymerase bindet an den Matrizenstrang (Vorlagenstrang), der in 3′-5′-Richtung verläuft, und liest ihn in dieser Richtung ab. Währenddessen synthetisiert sie einen neuen RNA-Strang in 5′-3′-Richtung, indem sie neue RNA-Nukleotide immer an das 3′-Ende des wachsenden Strangs anfügt.

    Was bedeuten 5′ und 3′?
    Um die Begriffe 5′ und 3′ zu verstehen, muss man den Aufbau des Zuckers in einem Nukleotid betrachten (siehe untere Abbildung). Nukleotide sind die chemischen Bausteine der DNA, die jeweils aus einer Base (A,C,G oder T), einem Zucker (Z) und einer Phosphatgruppe (P) bestehen. Der Zucker in der DNA ist die Desoxyribose, ein Molekül mit fünf Kohlenstoffatomen (C), die folgendermaßen durchnummeriert werden:

    • 1′: Hier ist die Base (A, T, C oder G) angeheftet.
    • 2′: Trägt in der DNA nur ein Wasserstoffatom (-H) und keine Hydroxylgruppe (-OH) wie in der RNA. Diese fehlende OH-Gruppe gibt der Desoxyribose ihren Namen („Desoxy“-Ribose, da „desoxy“ = ohne Sauerstoff).
    • 3′: Hier befindet sich eine Hydroxylgruppe (-OH), die für das Anfügen neuer Nukleotide während der Synthese wichtig ist.
    • 4′: Verbindet den Ring des Zuckermoleküls mit dem 5′-Kohlenstoff.
    • 5′: Trägt die Phosphatgruppe, die das Nukleotid mit dem nächsten verknüpft.
    Abb. 12-A: Molekularer Aufbau der DNA
    (A,C,G,T – Basen, Z – Zucker, P – Phosphatgruppe, C – Kohlenstoffatom)

    Warum erfolgt die Synthese nur in 5′-3′-Richtung?
    Die RNA-Polymerase kann neue Nukleotide nur am 3′-Ende des wachsenden Strangs anfügen, weil dort eine Hydroxylgruppe (-OH) vorhanden ist. Diese OH-Gruppe ermöglicht die chemische Reaktion, bei der die Phosphatgruppe des neuen Nukleotids an den Strang gebunden wird. Da die 5′-Position des neuen Nukleotids bereits durch ein Phosphat besetzt ist, kann die Kettenverlängerung nur in 5′-3′-Richtung erfolgen.

    Wie funktioniert das Ablesen und Synthetisieren?
    Die RNA-Polymerase bewegt sich entlang des Matrizenstrangs der DNA in 3′-5′-Richtung. Während sie dies tut, fügt sie komplementäre RNA-Nukleotide an den neuen RNA-Strang an, der in 5′-3′-Richtung wächst. Dabei werden die neuen Nukleotide immer an die freie 3′-OH-Gruppe des wachsenden Strangs angehängt.

    Detaillierte Informationen zu diesem Thema findet man hier.

    Die entstandene RNA ist eine Kopie des ursprünglichen DNA-Codes.

    Abb. 13: RNA ist eine Kopie der DNA

    Die RNA, die direkt aus der Transkription entsteht, wird als prä-mRNA bezeichnet und muss weiteren Verarbeitungsschritten unterzogen werden, um zur reifen mRNA zu werden, die für die Translation bereit ist. Diese Verarbeitung umfasst das Spleißen, bei dem Introns (nicht-kodierende Regionen eines Gens) entfernt und Exons (kodierende Regionen eines Gens) miteinander verbunden werden.

    Introns und Exons sind nicht konstant, sondern variabel, und spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation und Vielfalt der Gene. Das bedeutet, dass je nach Art des Proteins, das produziert werden soll, unterschiedliche Exons kombiniert und Introns entfernt werden können. Durch diesen Prozess können Zellen eine Vielzahl von Proteinen herstellen, die unterschiedliche Funktionen ausüben.

    Zusätzlich werden am 5′-Ende der mRNA ein 5′-Cap und am 3′-Ende ein Poly-A-Schwanz (eine Reihe von Adenin-Nukleotiden) hinzugefügt.

    Abb. 14: Modifikation der prä-mRNA zur reifen mRNA
    Das Hinzufügen des 5′-Caps und Poly-A-Schwanzes an die mRNA hat wichtige Funktionen

    Der 5’-Cap und der Poly-A-Schwanz gewährleisten die Stabilität der mRNA, ermöglichen ihren sicheren Transport und sorgen dafür, dass sie effizient für die Proteinproduktion genutzt wird.

    5′-Cap

    Schutz vor Abbau: Der 5′-Cap ist eine modifizierte Guaninbase, die am 5′-Ende der mRNA angebracht wird. Er schützt die mRNA vor dem Abbau. Ohne diesen Schutz könnte die mRNA schnell abgebaut werden, bevor sie zur Translation gelangt.

    Erleichterung des Transports: Der 5′-Cap hilft auch beim Transport der mRNA aus dem Zellkern in das Zytoplasma. Er wird von speziellen Transportproteinen erkannt, die die mRNA durch die Kernporen in das Zytoplasma schleusen.

    Initiation der Translation: Der 5′-Cap ist wichtig für die Erkennung und Bindung der mRNA an die ribosomale Untereinheit, die für den Start der Translation notwendig ist. Ohne den Cap kann die mRNA nicht effizient vom Ribosom erkannt werden.

    Poly-A-Schwanz

    Stabilität der mRNA: Der Poly-A-Schwanz besteht aus einer Reihe von Adenin-Nukleotiden, die am 3′-Ende der mRNA angehängt sind. Er schützt die mRNA vor Abbau durch Enzyme, die die RNA von ihrem 3′-Ende her abbauen. Längere Poly-A-Schwänze verlängern die Lebensdauer der mRNA im Zytoplasma, was zu einer effizienteren Proteinproduktion führt.

    Regulation der Translation: Der Poly-A-Schwanz trägt ebenfalls zur Regulation der Translation bei. Er steuert die Häufigkeit der mRNA-Translation, indem er die Wechselwirkung mit Ribosomen und anderen für die Translation notwendigen Proteinen beeinflusst.

    Stabilität während der Translation: Der Poly-A-Schwanz kann helfen, die mRNA in einer bestimmten räumlichen Konformation zu halten, die für die effiziente Translation notwendig ist.

    Die reife mRNA, die den genetischen Bauplan für das zu produzierende Protein enthält, diffundiert durch die Kernporen in das Zytoplasma der Zelle, wo sie von den Ribosomen gefunden wird. Dies leitet den nächsten Schritt ein – die Translation.

    Abb. 15: Die mRNA verlässt den Zellkern

    Eine anschauliche kurze Visualisierung des Transkriptionsprozesses bietet Biotech Made Easy an, das den Vorgang leicht verständlich macht.

    Originalquelle: Biotech Made Easy (Stand August 2024)

    Eine weitere kurze Animation der Transkription kommt vom DNA Learning Center. Sie zeigt den Prozess in Echtzeit.

    4.2.2. Translation

    Die Translation bezeichnet den Prozess, bei dem die genetische Information, die in der mRNA gespeichert ist, in eine Abfolge von verknüpften Aminosäuren umgewandelt wird, um Proteine zu bilden. Diese wichtige Transformation findet an den Ribosomen statt, den Proteinfabriken der Zelle. Die Ribosomen fungieren dabei als Maschinen, die die mRNA lesen und die Aminosäuren entsprechend den Anweisungen der mRNA anordnen.

    Bei Eukaryoten wie dem Menschen unterscheidet man zwei Arten von Ribosomen: zwischen freien und gebundenen Ribosomen (siehe Abb.15). Ein beträchtlicher Teil der Ribosomen befindet sich frei im Zytoplasma, während andere an die Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) gebunden sind. Die Ribosomen, die an das ER gebunden sind, produzieren Proteine, die entweder für den Export aus der Zelle oder für den Einbau in die Zellmembran bestimmt sind. Sowohl freie als auch membrangebundene Ribosomen haben eine ähnliche Struktur und Funktionsweise. Für unsere weitere Betrachtung konzentrieren wir uns auf die freien Ribosomen.

    Das Ribosom bindet an die mRNA und bewegt sich dann entlang der mRNA-Sequenz vom 5′-Ende zum 3′-Ende. Während dieses Prozesses gleitet die mRNA durch das Ribosom wie ein Fließband und wird schrittweise abgetastet. Dabei werden jeweils drei aufeinanderfolgende Basen, die als Codons bezeichnet werden, gelesen. Wenn das Ribosom das Start-Codon (AUG) erreicht, beginnt die Translation.

    Während der Translation liest das Ribosom jedes Codon auf der mRNA und ordnet ihm eine entsprechende Transfer-RNA (tRNA) mit der passenden Aminosäure zu. Die tRNA trägt eine spezifische Sequenz von drei Nukleotiden, die als Anticodon bezeichnet wird und komplementär zum Codon der mRNA ist.

    Abb. 16: Das Ribosom bewegt sich entlang der mRNA und liest Codons, an die jeweils komplementäre, mit Aminosäuren beladene tRNA binden. Diese tRNA liefern die passenden Aminosäuren für die entstehende Proteinkette.

    Wenn das Anticodon einer tRNA mit dem entsprechenden Codon der mRNA basenpaart, wird die Aminosäure, die von dieser tRNA getragen wird, an die wachsende Peptidkette gebunden. Peptide sind kurze Ketten von Aminosäuren, und diese Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine. Dieser Prozess wiederholt sich, während das Ribosom entlang der mRNA wandert und jedes Codon abtastet.

    Die Aminosäuren, die aneinandergereiht werden, sind durch Peptidbindungen miteinander verbunden und bilden so die Peptidkette des entstehenden Proteins. Die Translation endet, wenn das Ribosom ein Stoppcodon (UAA, UAG oder UGA) auf der mRNA erreicht. An diesem Punkt wird die entstandene Peptidkette – das noch unfertige Protein – freigesetzt, und das Ribosom löst sich von der mRNA.

    Abb. 17: Das Ribosom bildet eine Peptidkette.

    Auch hier kommt eine kurze und anschauliche Visualisierung des Translationsprozesses von Biotech Made Easy.

    Originalquelle: Biotech Made Easy (Stand August 2024)

    4.3. Das Protein

    Das Protein ist zunächst eine Kette aus einer bestimmten Abfolge von Aminosäuren. Damit das neu hergestellte Protein funktionsfähig wird, muss es sich noch in die korrekte dreidimensionale Form falten. Die räumliche Anordnung der Aminosäurenkette, seine spezifische dreidimensionale Form, ist entscheidend dafür, dass das Protein seine Rolle im Körper erfüllen kann – ob als Enzym (ein Molekül, das chemische Reaktionen beschleunigt), Strukturprotein (das den Zellen und Geweben ihre Form und Festigkeit verleiht) oder Hormon (ein Signalstoff, der verschiedene Körperfunktionen reguliert).

    Jedes Protein hat seinen eigenen Bauplan, der bestimmt, wie es sich falten wird, um seine Funktion zu erfüllen. Die Aminosäurenkette bildet die Primärstruktur, aus der sich wiederholende Muster ergeben, die als Sekundärstruktur bezeichnet werden. Elektrostatische Anziehungskräfte und andere chemische Bindungen führen dann verschiedene Teile des Proteins zusammen und bringen es in seine endgültige Form – die Tertiärstruktur. Manchmal bilden mehrere dieser Proteine sogar komplexe Strukturen, die als Quartärstruktur bezeichnet werden.

    Abb. 18: Schematische Darstellung der Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen

    Der Weg zur richtigen Faltung ist jedoch nicht immer einfach. Manchmal können sich Proteine falsch falten, besonders wenn sie zu nahe beieinander liegen. In solchen Momenten treten die Helfer auf den Plan – die Chaperone, die selbst Proteine sind. Sie schützen die Peptidkette vor unerwünschten Interaktionen und fördern den Faltungsprozess.

    Einige Proteine sind jedoch zu groß, um sich allein zu falten. Auch hier kommen die Chaperone zum Einsatz, die die Proteine zu einem weiteren Helfer bringen – einem zylinderförmigen Gebilde namens Chaperonin. Hier finden die Proteine eine sichere Umgebung, in der sie sich in Ruhe falten können, ohne gestört zu werden. Die fertig gefalteten Proteine sind nun bereit, ihre Arbeit in oder außerhalb der Zelle aufzunehmen.

    Das Video „Chaperone – die Proteinfaltung“ illustriert den Prozess der Proteinfaltung auf anschauliche Weise.

    Fehler bei der Proteinfaltung

    Der Prozess der Proteinfaltung ist von entscheidender Bedeutung für die biologische Funktionalität der Zelle und wird sorgfältig reguliert. Ein fehlerhaft gefaltetes Protein kann seine normale Funktion verlieren oder sogar schädlich sein. Fehler bei der Proteinfaltung können schwerwiegende Auswirkungen auf zelluläre Prozesse haben und verschiedene Krankheiten verursachen. Beispiele hierfür sind die Amyloidose, Alzheimer, Parkinson oder Chorea Huntington.

    Das „Proteinfaltungsproblem“

    Das „Proteinfaltungsproblem“ stellt eines der zentralen Rätsel der Biologie dar. Es bezieht sich auf die Schwierigkeit, die dreidimensionale Struktur eines Proteins vorherzusagen, basierend auf der Sequenz seiner Aminosäuren. Proteine bestehen aus Hunderten von Aminosäuren, die sich zu komplexen räumlichen Strukturen zusammenfalten, und die DNA-Sequenz allein gibt keine direkte Information über diese Struktur. Die Herausforderung der Proteinstrukturvorhersage besteht darin, aus den genetischen Informationen auf die räumliche Anordnung der Aminosäuren zu schließen. Das Ausmaß dieser Herausforderung wird deutlich, wenn man bedenkt, dass die Anzahl der theoretischen Möglichkeiten, wie sich ein Protein falten könnte, bevor es seine endgültige 3D-Struktur annimmt, enorm ist.

    Seit mehr als 50 Jahren arbeiten Wissenschaftler verschiedener Disziplinen daran, dieses Rätsel zu lösen. Eine wegweisende Entwicklung in diesem Bereich ist die Schaffung von „AlphaFold“ durch Deepmind, eine KI, die die Proteinstrukturvorhersage mit bisher unerreichter Genauigkeit bewältigt. Diese Errungenschaft könnte das Verständnis der Proteinfaltung revolutionieren.

    Dennoch ist der genaue Ablauf der Proteinfaltung noch nicht geklärt und stellt einen aktuellen Forschungsgegenstand der Biochemie dar.

    Proteine: Ihre Lebensdauer und Regeneration

    Wie jedes Produkt hat auch ein Protein eine begrenzte Lebensdauer. Sobald ein Protein seine Funktion erfüllt hat oder beschädigt ist, wird es abgebaut. Dieser kontinuierliche Prozess findet in allen Zellen des Körpers statt.

    Hierbei kommt ein spezielles Enzym, das Proteasom, zum Einsatz. Das Proteasom zerschneidet das Protein in kleinere Fragmente (Peptide), die dann weiter in einzelne Aminosäuren zerlegt werden. Diese Aminosäuren können erneut verwendet werden, um neue Proteine herzustellen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass fehlerhafte oder nicht mehr benötigte Proteine entfernt und die Ressourcen der Zelle effizient genutzt werden.

    Quelle: Myeloma UK

    Proteinabbau und seine Verbindung zum Immunsystem

    Der Abbau von Proteinen ist ein essenzieller Prozess, der weitreichende Auswirkungen auf verschiedene Systeme im Körper hat, einschließlich des Immunsystems. Welche spezifische Rolle dieser Prozess im Immunsystem spielt, wird in den kommenden Kapiteln näher betrachtet.

    5. Das Schutzschild des Körpers – unser Immunsystem

    Unser Immunsystem ist das beeindruckende Erbe der Evolution. Es ist eine faszinierende Mikrowelt, die im Verborgenen wirkt – eine Armee von Immunzellen, die sich im Laufe der Jahrmillionen zu Meisterwerken der Anpassung entwickelt hat. Diese winzigen Kämpfer stehen Tag und Nacht bereit, um uns vor den unzähligen Bedrohungen zu schützen, die wir oft gar nicht wahrnehmen. Sie wachen über uns, während wir schlafen, kämpfen für uns, ohne dass wir es merken, und sind letztlich der Grund, warum wir leben und atmen können.

    Um das Überleben zu sichern, haben alle höheren Lebewesen ein Immunsystem entwickelt, das Krankheitserreger abwehrt, Infektionen verhindert oder eindämmt. Das Immunsystem besteht aus einer Vielzahl von Zellen, Geweben und Organen, die zusammenarbeiten, um den Körper zu schützen.

    Zu den wichtigsten Komponenten gehören die weißen Blutkörperchen (Leukozyten), die in verschiedenen Formen und mit unterschiedlichen Funktionen existieren, sowie die lymphatischen Organe wie das Knochenmark, die Thymusdrüse, die Milz, die Mandeln und die Lymphknoten.

    Abb. 19: Bestandteile des Immunsystems

    Zusätzlich verfügt das Immunsystem über ein eigenes Transportsystem, das Lymphsystem, welches Lymphe (eine wässrige, leicht milchige Flüssigkeit) und Immunzellen über Lymphgefäße durch den Körper transportiert und ihnen ermöglicht, Infektionsherde schnell zu erreichen und zu bekämpfen.

    Das Zusammenspiel der Immunzellen ist äußerst komplex und wird hier vereinfacht dargestellt. Obwohl diese Darstellung bereits anspruchsvoll ist, sind die tatsächlichen Abläufe im Körper noch deutlich vielschichtiger und bis heute nicht vollständig verstanden. Um das Verständnis zu erleichtern, konzentrieren wir uns auf die zentralen Immunzellen und deren wichtigste Prozesse.

    5.1. Ursprung der Immunzellen
    5.2. Mechanismen der Immunerkennung: FREMD vs. SELBST
    5.3. Die unspezifische Immunabwehr
    5.4. Das Komplementsystem
    5.5. Die spezifische Immunabwehr
    5.6. Zusammenfassung

    Das Grundprinzip des Immunsystems beruht auf der Unterscheidung zwischen FREMD und SELBST, ein Mechanismus, der von Geburt an vorhanden ist.

    Um sich gegen Eindringlinge zu wehren, muss der Körper zwischen fremden Mikroorganismen und körpereigenem Gewebe unterscheiden können. Nicht alles Fremde ist gefährlich, daher muss das Immunsystem auch zwischen harmlosen Fremdkörpern (wie Staub, Pollen oder Nahrungsmittel) und gefährlichen Fremdkörpern differenzieren. Alles was krank macht, ist für den Körper gefährlich – sprich pathogen. Mit dem Begriff Pathogene fasst man alle Fremdkörper zusammen, die eine Krankheit hervorrufen können. Zu den Pathogenen zählen Bakterien, Viren, Pilze und Parasiten.

    Anhand der Strukturen auf der Oberfläche von Pathogenen oder anderen fremden Stoffen erkennt das Immunsystem sogenannte Antigene. Der Begriff ‚Antigen‘ bedeutet ‚Antikörper erzeugend‘ (antibody generating). Diese Antigene sind typischerweise Proteine oder Polysaccharide und dienen als ‚Erkennungsmarker‘, die dem Immunsystem signalisieren, dass es sich um einen Fremdkörper handelt.

    Die Antwort des Immunsystems auf alles FREMDE ist eine Immunreaktion. Sie umfasst eine Vielzahl von Prozessen, die darauf abzielen, die Bedrohung durch Fremdstoffe zu beseitigen und die Integrität des Körpers zu erhalten.

    Die richtige Balance zwischen Toleranz und Abwehrreaktion sowie die Stärke der Reaktion sind für das Immunsystem eine echte Herausforderung. Dies funktioniert nur, wenn die einzelnen Komponenten des Immunsystems harmonisch zusammenarbeiten.

    Im Laufe der Evolution haben sich dafür koordinierte Abwehrsysteme entwickelt, die zusammenarbeiten. Generell unterscheidet man zwischen der unspezifischen und spezifischen Immunabwehr. Das unspezifische Immunsystem ist die erste Verteidigungslinie des Körpers gegen Krankheitserreger. Spezielle Immunzellen reagieren nach einem vorgegebenen Programm auf Bedrohungen. Das spezifische Immunsystem ist hingegen hochspezialisiert und erkennt sowie bekämpft spezifische Krankheitserreger gezielt.

    Bevor wir näher auf die Immunabwehr eingehen, werfen wir einen Blick auf den Ursprung der Immunzellen und darauf, welche Mechanismen dem Immunsystem zur Verfügung stehen, um zwischen fremden und körpereigenen Zellen zu unterscheiden. Hierbei werden wichtige Begriffe und Konzepte eingeführt, die im weiteren Verlauf immer wieder eine Rolle spielen.

    5.1. Ursprung der Immunzellen

    Blutzellen und Immunzellen entstehen aus hämatopoetischen Stammzellen im Knochenmark. Diese Stammzellen sind der gemeinsame Ursprung sowohl für Zellen des Blutes als auch des Immunsystems, da Immunzellen ein wesentlicher Bestandteil des Blutes sind. Die Differenzierung dieser Stammzellen verläuft entweder über die myeloische oder die lymphatische Linie, was zur Entstehung verschiedener Zellen des unspezifischen und spezifischen Immunsystems führt.

    Bei Erwachsenen findet die Blutbildung (Hämatopoese) vorwiegend in den Knochen des Beckens, Brustbeins, der Rippen und Teilen der Wirbelsäule statt. Diese Knochen enthalten rotes Knochenmark, das die Stammzellen beherbergt, aus denen sowohl Blut- als auch Immunzellen hervorgehen. Bei Kindern hingegen erfolgt die Blutbildung zusätzlich in den langen Knochen der Arme und Beine, wie dem Oberschenkel- und Oberarmknochen. Mit zunehmendem Alter wird dieses Knochenmark durch fettreiches, gelbes Knochenmark ersetzt, wodurch sich die Blutbildung hauptsächlich auf das Becken und die Wirbelsäule konzentriert.

    Abb. 19-A: Aus hämatopoetischen Stammzellen im Knochenmark entwickeln sich alle Blutzellen und Immunzellen.

    Wie in der Abbildung dargestellt, entstehen die Immunzellen aus zwei Hauptlinien:

    Myeloische Linie: Diese Linie führt zur Bildung von Zellen des angeborenen Immunsystems, darunter:

    • Neutrophile Granulozyten
    • Eosinophile Granulozyten
    • Basophile Granulozyten
    • Mastzellen
    • Monozyten (aus denen sich Makrophagen und Dendritische Zellen entwickeln)

    Lymphatische Linie: Diese Linie bildet die Zellen des adaptiven Immunsystems:

    • T-Lymphzyten
    • B- Lymphzyten

    Natürliche Killerzellen stammen ebenfalls aus der lymphatischen Linie, sind jedoch Teil des angeborenen Immunsystems.

    Unser Blut

    Im Durchschnitt haben wir als Erwachsene zwischen 5 und 6 Liter Blut in uns. Blut ist ein flüssiges Gewebe, das eine Vielzahl lebenswichtiger Funktionen im Körper erfüllt. Es besteht aus einem flüssigen Teil, dem Blutplasma, und drei festen Bestandteilen, den Blutzellen. Die Blutzellen machen etwa 45 Prozent des gesamten Blutvolumens aus. Es gibt drei Haupttypen von Blutzellen: Erythrozyten, Thrombozyten und Leukozyten. Jede Art von Blutzellen hat spezifische Aufgaben.

    Abb. 19-B: Bestandteile des Blutes

    Erythrozyten (rote Blutkörperchen)

    Funktion: Transport von Sauerstoff aus den Lungen zu den Geweben und Rücktransport von Kohlendioxid zu den Lungen.
    Anteil: Etwa 45% des gesamten Blutvolumens (Hämatokrit).
    Menge: Etwa 4,5 bis 5,9 Millionen Zellen pro Mikroliter Blut.
    Größe: Etwa 6-8 Mikrometer im Durchmesser.
    Lebensdauer: Etwa 120 Tage.
    Besonderheiten: Erythrozyten haben keinen Zellkern, was ihnen mehr Platz für Hämoglobin lässt. Das Fehlen eines Zellkerns bedeutet, dass sie sich nicht teilen oder Proteine synthetisieren können. Ihre spezielle Struktur und die Eigenschaften ihrer Zellmembran ermöglichen es ihnen, die mechanischen Belastungen des Blutkreislaufs lange Zeit zu überstehen.

    Thrombozyten (Blutplättchen)

    Funktion: Wichtig für die Blutgerinnung und den Wundverschluss. Sie bilden Blutgerinnsel, um Blutungen zu stoppen.
    Anteil: Weniger als 1% des gesamten Blutvolumens.
    Menge: Etwa 150.000 bis 450.000 Plättchen pro Mikroliter Blut.
    Größe: Etwa 2-3 Mikrometer im Durchmesser.
    Lebensdauer: 7-10 Tage.

    Leukozyten (weiße Blutkörperchen)

    Funktion: Bekämpfung von Keimen und Krankheitserregern sowie Bildung von Antikörpern.
    Anteil: Weniger als 1% des gesamten Blutvolumens.
    Menge: Etwa 4.000 bis 11.000 Zellen pro Mikroliter Blut.

    Untergruppen:

    Neutrophile Granulozyten: 50-70% der Leukozyten; Teil des angeborenen Immunsystems und wichtig für die Bekämpfung bakterieller Infektionen. Lebensdauer: 5-90 Stunden im Blut; 1-2 Tage im Gewebe. Größe: 10-12 Mikrometer im Durchmesser.

    Eosinophile Granulozyten: 1-4% der Leukozyten; Teil des angeborenen Immunsystems und wichtig bei der Bekämpfung von Parasiten und allergischen Reaktionen. Lebensdauer: 8-12 Stunden im Blut; 8-12 Tage im Gewebe.Größe: 12-17 Mikrometer im Durchmesser.

    Basophile Granulozyten: <1% der Leukozyten; Teil des angeborenen Immunsystems und beteiligt an allergischen Reaktionen und der Freisetzung von Histamin. Lebensdauer: 1-2 Tage im Blut.Größe: 10-14 Mikrometer im Durchmesser.

    Lymphozyten: 20-40% der Leukozyten; spielen eine Schlüsselrolle in der adaptiven Immunantwort. Lebensdauer: Einige Tage bis mehrere Jahre.Größe: 6-10 Mikrometer im Durchmesser für kleine Lymphozyten und bis zu 15 Mikrometer für größere Lymphozyten.

    Natürliche Killerzellen: 5-15% der Lymphozyten; Teil des angeborenen Immunsystems, zuständig für die Abtötung von virusinfizierten Zellen und Tumorzellen. Lebensdauer: Wochen bis Monate. Größe: 10-15 Mikrometer im Durchmesser.

    Monozyten: 2-8% der Leukozyten; Vorläufer von Makrophagen und dendritischen Zellen. Lebensdauer: 1-3 Tage im Blut; Wochen bis Monate im Gewebe als Makrophagen oder dendritische Zellen.Größe: 15-20 Mikrometer im Durchmesser.

    Mastzellen: Obwohl sie nicht im Blut zirkulieren, sind Mastzellen in den Geweben (z. B. Haut, Schleimhäute) wichtig für die Abwehr von Parasiten und spielen eine Schlüsselrolle bei allergischen Reaktionen durch die Freisetzung von Histamin und anderen Mediatoren. Lebensdauer: Wochen bis Monate im Gewebe. Größe: 10-16 Mikrometer im Durchmesser.

    Blutplasma

    Anteil: Etwa 55% des gesamten Blutvolumens.
    Zusammensetzung: Hauptsächlich aus Wasser (ca. 90 Prozent) bestehend.
    Funktion: Transport von Nährstoffen, Abfallstoffen und Hormonen.

    5.2. Mechanismen der Immunerkennung:
    FREMD vs. SELBST

    Die Unterscheidung zwischen FREMD und SELBST erfolgt hauptsächlich durch spezialisierte Zellen des Immunsystems, die gezielt die Oberflächen von Zellen scannen – sowohl die des eigenen Körpers als auch die von Pathogenen. Da Zellen weder Augen noch Ohren haben, müssen sie sich berühren, um festzustellen, ob ein Protein zu einem Freund oder Feind gehört. Dafür verfügen sie über eine Vielzahl von Rezeptoren.

    Körpereigene Zellen tragen sogenannte SELBST-Marker auf ihrer Oberfläche. Diese Marker sind spezielle Moleküle oder Rezeptoren, die vom Immunsystem erkannt und normalerweise nicht angegriffen werden.

    Pathogene hingegen besitzen spezifische Strukturen auf ihrer Oberfläche, die auf körpereigenen Zellen nicht vorhanden sind. Auch fehlerhaft mutierte körpereigene Zellen verraten sich durch Veränderungen auf ihrer Oberfläche. Diese Strukturen können als FREMD-Marker interpretiert werden, die das Immunsystem dazu veranlassen, eine Abwehrreaktion auszulösen.

    Abb. 20:  Immunsystem unterscheidet zwischen SELBST und FREMD

    Doch wie kommunizieren die Zellen des Immunsystems miteinander, um eine koordinierte Reaktion auf Bedrohungen sicherzustellen? Die Antwort liegt in den Botenstoffen, die Zytokine und Chemokine genannt werden.

    Zytokine sind kleine Proteine, die wie Signalleuchten wirken und das Verhalten von Immunzellen steuern. Sie regulieren das Wachstum, die Aktivierung und die Funktion von Immunzellen und spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung von Entzündungsreaktionen. Je nach Bedarf können sie die Immunantwort verstärken oder auch dämpfen.

    Chemokine wiederum lenken die Wanderung der Immunzellen durch den Körper. Sie fungieren als Wegweiser, die Immunzellen gezielt an den Ort der Infektion oder Entzündung locken. So stellen sie sicher, dass die Abwehrkräfte genau dort aktiv werden, wo sie gebraucht werden.

    SELBST-Marker

    SELBST-Marker, auch Autoantigene genannt, dienen als Kennzeichen für körpereigenes Gewebe. Das Immunsystem lernt während seiner Entwicklung, diese Marker zu erkennen und zu tolerieren, um Autoimmunreaktionen zu vermeiden. Dafür hat das Immunsystem mehrere Mechanismen, von denen hier drei wichtige vorgestellt werden:

    a) SELBST-Marker: MHC-Moleküle
    b) SELBST-Marker: Molekül CD47
    c) SELBST-Marker: Sialinsäure
    a) SELBST-Marker: MHC-Moleküle

    Ein wichtiges Beispiel für SELBST-Marker sind MHC-Moleküle. Der Begriff MHC steht für den Haupthistokompatibilitätskomplex (engl. Major Histocompatibility Complex) und bezeichnet spezielle Proteine auf der Zelloberfläche, die als Rezeptoren fungieren. Diese Rezeptoren präsentieren vor allem körpereigene Proteinfragmente. Dadurch signalisiert die Zelle dem Immunsystem, dass sie zum Körper gehört und keine Bedrohung darstellt.

    MHC-Moleküle können jedoch auch fremde Proteinfragmente präsentieren. Diese stammen meist von Krankheitserregern oder erkrankten Zellen, wie zum Beispiel von Viren infizierten Zellen. Indem solche fremden Fragmente auf der Zelloberfläche angezeigt werden, kann das Immunsystem infizierte oder abnorme Zellen erkennen und eine entsprechende Abwehrreaktion einleiten.

    Major weist auf die große Bedeutung dieser Gene für die Immunerkennung hin.
    Histocompatibility setzt sich aus ‚histo‘ (Gewebe) und ‚compatibility‘ (Verträglichkeit) zusammen und bezieht sich darauf, wie gut Gewebe zwischen verschiedenen Individuen kompatibel oder verträglich sind. MHC spielt eine wesentliche Rolle bei Organtransplantationen.
    Complex bezieht sich auf die Gruppe von Genen, die zusammenarbeiten und eine komplexe Funktion erfüllen.

    Man unterscheidet zwei Hauptklassen von MHC-Molekülen:

    • MHC Klasse I-Moleküle sind auf nahezu allen kernhaltigen Zellen des Körpers zu finden.
    • MHC Klasse II-Moleküle sind hauptsächlich auf speziellen Immunzellen zu finden.

    Die folgende vereinfachte Grafik zeigt den Unterschied zwischen beiden Klassen. Sowohl MHC-I- als auch MHC-II-Moleküle sind in der Zellmembran verankert und präsentieren Proteinfragmente (Peptide), die als Antigene dienen. Ein struktureller Unterschied besteht darin, dass MHC-Klasse-I-Moleküle eine einzige Verankerung in der Zellmembran haben, während MHC-Klasse-II-Moleküle zwei Verankerungen besitzen.

    Generell dienen MHC-Komplexe der Antigenpräsentation, indem sie dem Immunsystem Informationen über den Zustand der Zelle liefern.

    Abb. 21:  MHC-Moleküle

    Antigenpräsentation

    MHC-I präsentiert Antigene, die aus dem Inneren der Zelle stammen. Wie im Abschnitt ‚4.3. Das Protein‘ erwähnt, bauen Zellen kontinuierlich alte oder beschädigte Proteine ab. Dabei zersetzen Proteasome diese Proteine in kleinere Fragmente, sogenannte Peptide. Diese Peptide können von körpereigenen Proteinen stammen und signalisieren dem Immunsystem, dass die Zelle gesund ist. Wenn die Zelle jedoch mit einem Virus infiziert ist oder anderweitig abnormal wird, präsentiert das MHC-I-Molekül Peptide von fremden oder veränderten Proteinen. Dies alarmiert das Immunsystem, dass die Zelle möglicherweise gefährlich ist und beseitigt werden muss.

    MHC-Klasse-I-Moleküle werden von allen kernhaltigen Zellen exprimiert.

    Abb. 22:  MHC-Klasse-I-Moleküle

    Ganz links ist eine gesunde Zelle, die über ein MHC-Klasse-I-Molekül ein eigenes, normales Peptid präsentiert. Dies zeigt, dass die Zelle gesund und nicht infiziert ist. Das MHC-I-Molekül signalisiert dem Immunsystem, dass es keinen Handlungsbedarf gibt. In der Mitte ist eine virusinfizierte Zelle, die ebenfalls ein MHC-Klasse-I-Molekül trägt, jedoch ein fremdes Peptid präsentiert, das von einem Virus stammt. Dieses virale Peptid zeigt dem Immunsystem, dass die Zelle infiziert ist, was eine Immunantwort auslösen kann. Rechts ist eine Krebszelle, die über ein MHC-Klasse-I-Molekül ein verändertes Peptid präsentiert. Dieses Peptid ist durch genetische Mutationen im Zuge der Krebsentstehung verändert worden. Es signalisiert dem Immunsystem, dass die Zelle abnormal ist und entfernt werden sollte.

    MHC-II hingegen präsentiert Antigene, die von außerhalb der Zelle stammen. MHC-II-Moleküle werden nur von spezialisierten Immunzellen (wie Makrophagen, dendritischen Zellen und B-Zellen) exprimiert. Diese Zellen nehmen fremdes Material, wie Bakterien oder andere Erreger, auf, zerlegen es in kleinere Fragmente (Antigene) und präsentieren diese dann an der Zelloberfläche. Die so präsentierten Antigene aktivieren bestimmte Immunzellen, die eine gezielte Immunantwort koordinieren.

    Abb. 23: MHC-Klasse-II-Moleküle

    MHC-Moleküle ermöglichen es dem Immunsystem, zwischen körpereigenen und fremden oder veränderten Zellen zu unterscheiden. Dies ist entscheidend, um gesunde Zellen zu schützen und gleichzeitig eine Immunreaktion gegen potenziell schädliche Eindringlinge oder abnorme Zellen auszulösen.

    Die kurze Animation zur Antigenpräsentation: MHC Klasse I vs. MHC Klasse II veranschaulicht anschaulich die zuvor erklärten Zusammenhänge.

    MHC-Moleküle und deren Vielfalt

    Was sind MHC-Moleküle?
    MHC-Moleküle sind spezielle Proteine auf der Oberfläche unserer Zellen. Sie helfen dem Immunsystem dabei, zwischen eigenen und fremden Stoffen, wie z. B. Krankheitserregern, zu unterscheiden. MHC-Moleküle werden von bestimmten Genen in unserem Körper gebildet.

    Was sind Allele?
    Diese Gene, die die MHC-Moleküle herstellen, gibt es in vielen verschiedenen Versionen, die Allele genannt werden. Jeder Mensch hat eine einzigartige Kombination von Allelen, was dazu führt, dass die MHC-Moleküle bei jedem Menschen ein wenig anders aussehen.

    Warum gibt es so viele Varianten?
    Es gibt Hunderte von verschiedenen Allelen in der Bevölkerung. Diese große Vielfalt hilft dem Immunsystem, eine größere Bandbreite an Krankheitserregern zu erkennen. Das bedeutet, dass einige Menschen gegen bestimmte Krankheiten besser geschützt sind als andere – was aus evolutionärer Sicht ein Vorteil ist. [Haupthistokompatibilitätskomplex]

    Wie funktionieren MHC-Moleküle?
    Jedes MHC-Molekül kann kleine Bruchstücke von Proteinen, sogenannte Peptide, binden. Diese Peptide entstehen, wenn Proteine im Körper abgebaut werden. MHC-Moleküle präsentieren diese Peptide dann auf der Zelloberfläche, damit das Immunsystem erkennen kann, ob die Zelle gesund ist oder von einem Virus oder anderen Krankheitserregern befallen wurde.

    Warum ist diese Vielfalt wichtig?
    Die Vielfalt der MHC-Moleküle bedeutet, dass verschiedene Menschen verschiedene Peptide binden und präsentieren können. Das macht es Krankheitserregern schwerer, alle Menschen gleich zu infizieren, da das Immunsystem jedes Menschen anders auf sie reagiert.

    Organtransplantation und MHC-Moleküle
    Die Vielfalt der MHC-Moleküle ist auch der Grund, warum es schwierig ist, passende Organspender zu finden. Wenn die MHC-Moleküle des Spenders nicht gut zu denen des Empfängers passen, kann das Immunsystem des Empfängers das neue Organ als fremd erkennen und es angreifen. Deshalb müssen bei einer Organtransplantation die MHC-Moleküle von Spender und Empfänger sorgfältig verglichen werden, um die Abstoßungsgefahr zu verringern.

    b) SELBST-Marker: Molekül CD47

    Ein weiterer wichtiger SELBST-Marker auf der Oberfläche von Zellen ist das Molekül CD47. Dieses Molekül fungiert als ein ‚Don’t eat me‘-Signal, was bedeutet, dass es Immunzellen daran hindert, die Zelle zu zerstören.

    CD47 spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulation der Immunantwort und dem Schutz von Blutzellen. Im Gegensatz zu MHC-Klasse-I-Molekülen, die nur auf kernhaltigen Zellen zu finden sind, kommt CD47 auf allen Zelltypen vor, einschließlich kernloser Zellen wie Erythrozyten (rote Blutkörperchen) und Thrombozyten (Blutplättchen).

    CD47 bindet an ein Rezeptorprotein namens SIRPα (Signal Regulatory Protein Alpha), das auf der Oberfläche von Immunzellen vorhanden ist. Diese Bindung sendet ein Signal, das die Immunzelle davon abhält, die Zelle anzugreifen. Dadurch wird sichergestellt, dass gesunde, körpereigene Zellen nicht vom Immunsystem zerstört werden.

    Abb. 24: Ein Erythrozyt signalisiert der Immunzelle über CD47: Don’t-eat-me.

    Wenn der CD47-Marker fehlt oder nicht richtig funktioniert, kann die Zelle als „fremd“ oder „verändert“ erkannt werden. Dies führt dazu, dass Immunzellen diese Zellen angreifen und beseitigen.

    Abb. 25: Ohne CD47 kein Don’t-eat-me-Signal. Wenn Erythrozyten altern und CD47 verlieren, werden sie von Makrophagen erkannt und abgebaut.

    CD47-Moleküle unterscheiden sich nicht so stark von Mensch zu Mensch wie die MHC-Klasse-I-Moleküle. Sie haben bei den meisten Menschen eine relativ konservierte Struktur, was bedeutet, dass es weniger Variationen gibt. Diese Konservierung ist wichtig, da CD47 eine grundlegende Funktion in der Immunregulation und Zellinteraktion hat.

    Aus diesem Grund funktioniert eine Bluttransfusion in der Regel einfacher als eine Organtransplantation. Bei einer Bluttransfusion müssen nur wenige Antigene (wie die Blutgruppenmerkmale) berücksichtigt werden, während es bei einer Organtransplantation eine hohe Variabilität in den MHC-Klasse-I-Molekülen gibt, die eine starke Immunantwort auslösen können.

    c) SELBST-Marker: Sialinsäure

    Ein weiterer bedeutender SELBST-Marker auf der Zelloberfläche ist Sialinsäure. Sialinsäuren sind eine Gruppe von Zuckermolekülen, die auf den Oberflächen von Zellen vorkommen und eine wichtige Rolle bei der Zell-Zell-Kommunikation spielen. Alle körpereigenen Zellen tragen Sialinsäure auf ihrer Oberfläche.

    Spezielle Rezeptoren auf der Oberfläche von Immunzellen können die Sialinsäuren erkennen und an ihnen binden. Diese Sialinsäure-bindenden Rezeptoren werden als Siglecs (Sialic acid-binding immunoglobulin-type lectins) bezeichnet. Wenn Sialinsäuren an Siglecs binden, senden sie inhibierende (hemmende) Signale in die Immunzelle. Das hält die Immunzelle davon abhält, die Zelle anzugreifen. Dieser Mechanismus schützt körpereigene Zellen vor Angriffen durch das Immunsystem.

    Abb. 26: Siglec-Rezeptor der Immunzelle bindet an die Sialinsäure der körpereigenen Zelle.

    Kombination dieser SELBST-Marker

    Eine Zelle kann sowohl MHC-Moleküle, CD47 als auch Sialinsäure gleichzeitig auf ihrer Oberfläche tragen. Jede dieser Molekülgruppen erfüllt eine wichtige Funktion, um die Zelle als körpereigen zu kennzeichnen und vor einer unnötigen Immunantwort zu schützen. Während MHC vor allem der Antigenpräsentation dient, sorgen CD47 und Sialinsäure dafür, dass Zellen nicht von Immunzellen angegriffen oder eliminiert werden. Diese Marker wirken also in Kombination, um das Immunsystem effizient zu steuern.

    5.3. Die unspezifische Immunabwehr

    Unser Immunsystem überwacht den Körper fortwährend auf das Vorhandensein von Fremdstoffen und Zellveränderungen. Sobald etwas als Gefahr erkannt wird, startet die Abwehrreaktion. Die unspezifische Immunantwort setzt dabei besonders schnell ein – innerhalb von Minuten bis wenigen Stunden ist sie vollständig aktiviert.

    Diese Form der Immunabwehr ist nicht auf bestimmte Erreger spezialisiert. „Unspezifisch“ bedeutet, dass auf jede erkannte Bedrohung eine allgemeine Standardreaktion erfolgt; Krankheitserreger werden unabhängig von ihrer Art auf die gleiche Weise bekämpft. Das unspezifische Immunsystem ist bereits bei der Geburt vorhanden, weshalb es auch als natürliches oder angeborenes Immunsystem bezeichnet wird. Im ersten Schritt versucht der Organismus, das Eindringen von Krankheitserregern zu verhindern oder zumindest zu erschweren.

    I – Erste Verteidigungslinie: mechanische und chemische Barrieren
    II – Zweite Verteidigungslinie: die weißen Blutkörperchen
    5.3. a) Granulozyten
    5.3. b) Makrophagen
    5.3. c) Dendritische Zellen
    5.3. d) Natürliche Killerzellen
     I – Erste Verteidigungslinie: mechanische und chemische Barrieren 

    Die erste Verteidigungslinie unseres Körpers gegen Krankheitserreger besteht aus mechanischen und chemischen Barrieren.

    Mechanische Barrieren

    Zu den mechanischen Barrieren zählen die Haut und alle Schleimhäute. Die Haut, die Grenze zwischen Körperinnerem und äußerer Umwelt, ist der wichtigste Schutz unseres Körpers gegen Krankheitserreger. Sie besteht aus mehreren Schichten, die das Eindringen von Pathogenen verhindern. Die äußerste Schicht, die Epidermis, erneuert sich regelmäßig. Abgestorbene Hautzellen werden ständig abgestoßen und durch neue Zellen ersetzt. Dieser Erneuerungsprozess trägt dazu bei, an der Haut haftende Mikroorganismen zu entfernen.

    Schleimhäute befinden sich in vielen Bereichen unseres Körpers, einschließlich der Nase, des Mundes, des Rachens, der Lunge und des Verdauungstrakts. Sie produzieren Schleim, eine klebrige Substanz, die Krankheitserreger einfängt und entfernt. Beispielsweise fängt der Schleim in unserer Nase Staub und Mikroorganismen ein, die wir einatmen, und verhindert so, dass sie in unsere Lunge gelangen.

    Abb. 27:  Schleimhaut der Atemwege

    Schleimhautzellen besitzen viele Flimmerhärchen (Zilien), die wie dichter Rasen nebeneinander liegen. Becherzellen produzieren unentwegt Schleim, der die Flimmerhärchen umgibt und die Oberfläche der Schleimhaut bedeckt. In dieser zähflüssigen Schleimschicht verfangen sich leicht Fremdpartikel wie Viren, Bakterien oder Staub.

    Die Flimmerhärchen bewegen sich wellenartig, um die Fremdpartikel, die in den Schleim geraten, aus den Atemwegen zu befördern. Ähnlich wie ein Förderband schieben die Flimmerhärchen die Schleimschicht mitsamt den Fremdkörpern in Richtung Rachen. Dort wird das Sekret durch Niesen oder Husten nach außen befördert oder verschluckt. Dieser Selbstreinigungsmechanismus ist ständig aktiv.

    Chemische Barrieren

    Zusätzlich blockieren chemische Stoffe wie Säuren, Enzyme oder Schleim die Anlagerung von Krankheitserregern. Einige Bereiche unseres Körpers, wie die Haut und der Magen, haben ein saures Milieu. Diese saure Umgebung ist für viele Mikroorganismen ungünstig und kann ihr Wachstum hemmen oder sie abtöten. Vor allem im Säurebad des Magens werden viele Krankheitserreger unschädlich gemacht.

    Enzyme sind Proteine, die chemische Reaktionen katalysieren. Einige Enzyme in unserem Körper, wie Lysozym in unserem Speichel und Tränen, können die Zellwände von Bakterien abbauen und sie so abtöten. Wie bereits erwähnt, produzieren unsere Schleimhäute Schleim, der Krankheitserreger einfängt. Aber Schleim dient auch als chemische Barriere. Er enthält antimikrobielle Substanzen wie Immunglobuline, die Krankheitserreger neutralisieren können.

    Obwohl die mechanischen und chemischen Barrieren unseres Körpers äußerst effektiv sind, um das Eindringen von Krankheitserregern zu verhindern, können einige Erreger dennoch diese Barrieren überwinden. Sobald Krankheitserreger die ersten Barrieren durchdrungen haben, tritt unser Körper in eine weitere Verteidigungslinie ein.

     II – Zweite Verteidigungslinie: die weißen Blutkörperchen 

    Gelingt es den Krankheitserregern, die erste Verteidigungslinie zu überwinden und in den Körper einzudringen, bleiben sie nicht lange unbemerkt. Spezialisierte Immunzellen wie Granulozyten, Makrophagen, dendritische Zellen und natürliche Killerzellen stehen zur Abwehr bereit. Diese Zellen gehören zu den weißen Blutkörperchen, den Leukozyten.

    Granulozyten, Monozyten und natürliche Killerzellen zirkulieren im Blut und wandern bei Bedarf ins Gewebe. Wenn Monozyten ins Gewebe einwandern, entwickeln sie sich zu Makrophagen oder dendritischen Zellen, die dann dort ansässig sind und ihre Immunfunktion übernehmen.

    Abb. 28:  Leukozyten im Blut und im Gewebe

    5.3. a) Granulozyten

    Granulozyten sind eine Untergruppe der weißen Blutkörperchen, die sich durch charakteristische Granula – kleine, körnchenartige Strukturen im Zytoplasma – auszeichnen. Diese Granula enthalten verschiedene Substanzen, die bei der Immunabwehr und anderen Prozessen freigesetzt werden. Zu den Granulozyten zählen neutrophile, eosinophile und basophile Granulozyten, die jeweils unterschiedliche Aufgaben im Immunsystem übernehmen, insbesondere bei der Bekämpfung von Infektionen und allergischen Reaktionen. In der weiteren Beschreibung konzentrieren wir uns auf die neutrophilen Granulozyten, da sie mit einem Anteil von 50-70 % der Leukozyten im menschlichen Blut die zahlreichsten Immunzellen sind.

    Neutrophile Granulozyten, kurz Neutrophile, zirkulieren kontinuierlich im Blutkreislauf und gehören zu den ersten Immunzellen, die auf eine Infektion reagieren. Dringen Krankheitserreger in den Körper ein, werden chemotaktische Signale freigesetzt, die Neutrophile an den Infektionsort locken. Daraufhin verlassen sie die Blutbahn und wandern ins Gewebe ein, wo sie innerhalb weniger Minuten den Infektionsherd erreichen können.

    Abb. 29:  Neutrophile Granulozyten wandern zum Infektionsort.

    Vor Ort erkennen sie Pathogene mit ihren Mustererkennungsrezeptoren (PRRs, engl. Pattern Recognition Receptors) die spezifische Pathogen-assoziierte molekulare Muster PAMPs (engl. Pathogen-associated molecular patterns) auf Eindringlingen wie Bakterien, Viren und Pilzen identifizieren. Ihre PRRs erkennen auch Schaden-assoziierte molekulare Muster (DAMPs,engl. Damage-associated molecular patterns), die von geschädigten oder gestressten Zellen freigesetzt werden.

    Abb. 30: Neutrophiler Granulozyt bindet an ein Bakterium.
    Mustererkennungsrezeptoren (PRRs)

    Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) sind eine zentrale Komponente des angeborenen Immunsystems. Sie dienen dazu, Krankheitserreger und Zellschäden schnell zu erkennen und eine sofortige Immunantwort einzuleiten. PRRs erkennen spezifische molekulare Muster, die entweder mit Pathogenen (Krankheitserregern) oder mit Zellschäden assoziiert sind.
    Diese molekularen Muster werden in zwei Hauptkategorien unterteilt:

    Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs): Diese Moleküle sind typisch für Mikroorganismen wie Bakterien, Viren, Pilze und Parasiten, aber nicht für menschliche Zellen.

    Schaden-assoziierte molekulare Muster (DAMPs): Diese Moleküle werden von gestressten oder beschädigten Zellen freigesetzt und signalisieren eine Gefahr für den Organismus.

    PRRs lassen sich in verschiedene Klassen unterteilen, die jeweils auf unterschiedliche Arten von PAMPs und DAMPs spezialisiert sind:

    Toll-like Rezeptoren (TLRs)
    TLRs sind spezielle Sensoren auf der Oberfläche von Immunzellen wie Makrophagen, dendritischen Zellen und Neutrophilen sowie in deren inneren Bereichen. TLRs erkennen eine breite Palette von PAMPs:

    TLR1 und TLR2: Diese beiden arbeiten oft zusammen und erkennen bestimmte Moleküle auf der Oberfläche von Bakterien.
    TLR3: Dieser Rezeptor erkennt virale RNA, also das genetische Material von Viren.
    TLR4: Er erkennt Lipopolysaccharide, die auf der Oberfläche vieler Bakterien vorkommen.
    TLR5: Dieser Rezeptor erkennt Flagellin, ein Protein, das in den Geißeln von Bakterien vorkommt.
    TLR6: Arbeitet oft mit TLR2 zusammen und erkennt ebenfalls Moleküle auf Bakterien.
    TLR7 und TLR8: Diese beiden erkennen virale RNA, ähnlich wie TLR3.
    TLR9: Er erkennt DNA von Bakterien und Viren, die bestimmte Muster aufweist.

    NOD-like Rezeptoren (NLRs)
    NLRs sind intrazelluläre Rezeptoren, die im Zytoplasma von Zellen vorkommen. Man kann sie sich wie winzige Sensoren vorstellen, die ständig nach Anzeichen für Infektionen oder Zellschäden Ausschau halten. Diese Sensoren erkennen bestimmte Moleküle, die entweder von Krankheitserregern wie Bakterien stammen oder die in unseren Zellen auftreten, wenn sie gestresst oder beschädigt sind.

    RIG-I-like Rezeptoren (RLRs)
    RLRs sind ebenfalls intrazelluläre Rezeptoren, die im Zytoplasma von Zellen lokalisiert sind. Sie sind darauf spezialisiert, Viren zu erkennen, die in die Zelle eingedrungen sind.

    C-Typ-Lektin-Rezeptoren (CLRs)
    CLRs befinden sich auf der Zelloberfläche von Immunzellen wie Makrophagen und dendritischen Zellen. Sie erkennen bestimmte Zuckerstrukturen (Kohlenhydrate) auf der Oberfläche von Krankheitserregern, insbesondere von Pilzen.

    Neutrophile Granulozyten beseitigen Eindringlinge oder kranke Zellen, indem sie diese aufnehmen und zerstören. Dabei umschließen sie den Erreger in einem membranumhüllten Bläschen, dem sogenannten Phagosom. Nach der Aufnahme verschmelzen die Granula der Neutrophilen mit dem Phagosom. Diese Granula enthalten Enzyme und antimikrobielle Substanzen, die den eingeschlossenen Erreger abbauen und abtöten. Die verbleibenden Abbauprodukte, die nicht weiterverwertet werden können, werden anschließend aus den Neutrophilen freigesetzt. Diese Reste können von anderen Immunzellen, wie Makrophagen, aufgenommen und weiterverarbeitet werden.

    Abb. 31: Phagozytose: Neutrophiler Granulozyt verschlingt und verdaut Bakterium

    Zusätzlich beseitigen Neutrophile auch zerstörte Gewebezellen. Dieser gesamte Prozess, bei dem die Zellen Fremdkörper und geschädigte Zellen einverleiben und abbauen, wird als Phagozytose bezeichnet.

    Das Wort Phagozytose stammt aus dem Griechischen und setzt sich aus zwei Teilen zusammen: Phagein bedeutet „essen“ oder „verschlingen“ und Kytos bedeutet „Zelle“ oder „Behälter“. Der Begriff „Phagozytose“ beschreibt also wörtlich das „Zellfressen“ oder „Verschlingen durch Zellen“. Daher werden Fresszellen auch als Phagozyten bezeichnet.

    Neutrophile haben eine relativ kurze Lebensdauer und sterben nach der Phagozytose und Verdauung von Pathogenen oft ab. Dieser Prozess, genannt Apoptose (programmierter Zelltod), hilft dabei, die Entzündungsreaktion zu regulieren.

    Wenn viele Neutrophile in einem infizierten Bereich sterben, sammeln sich ihre Überreste zusammen mit den verdauten Pathogenen und Zelltrümmern an. Diese Ansammlung von toten Zellen und Abbauprodukten bildet Eiter. Eiter ist eine zähe, gelbliche oder grünliche Flüssigkeit, die oft in infizierten Wunden oder Abszessen gefunden wird. Auch apoptotische (abgestorbene) Neutrophile werden von Makrophagen aufgenommen und verdaut, wodurch das umliegende Gewebe gereinigt und die Heilung unterstützt wird.

    In einigen Fällen setzen Neutrophile netzartige Strukturen frei, die aus DNA und antimikrobiellen Proteinen bestehen. Diese NETs (Neutrophil Extracellular Traps) fangen Pathogene ein und töten sie ab, indem sie ihre Bewegung und Vermehrung verhindern.

    Abb. 32: Neutrophiler Granulozyt setzt ‚Neutrophil Extracellular Traps‘ (NETs) frei und löst sich danach auf.

    Dieses kurze Animationsvideo zeigt sehr schön die Funktionsweise der Neutrophilen.

    Neutrophile arbeiten eng mit anderen Immunzellen wie Makrophagen und dendritischen Zellen zusammen, indem sie Signalmoleküle freisetzen. Diese Signalmoleküle, wie Chemokine und Zytokine, rekrutieren und aktivieren weitere Immunzellen zum Ort der Infektion. Damit tragen Neutrophile wesentlich zur Entzündungsreaktion bei. Ihre rasche Reaktion und Fähigkeit zur effektiven Pathogenbekämpfung macht sie zu einer entscheidenden Komponente der angeborenen Immunantwort.

    5.3. b) Makrophagen

    Makrophagen sind große Fresszellen, deren Name sich vom griechischen ‚Macro‘ für groß und ‚Phage‘ für Fresser ableitet. Es gibt verschiedene Arten von Makrophagen.

    Residente Makrophagen sind fest im Gewebe verankert. Rekrutierte Makrophagen entstehen aus den im Blut zirkulierenden Monozyten. Wenn Monozyten mit Zytokinen (Botenstoffen) in Kontakt kommen, wandern sie aus dem Blut ins Gewebe und differenzieren sich dort zu Makrophagen. Einmal im Gewebe, bleiben sie oft stationär und patrouillieren umher, auf der Suche nach Krankheitserregern und abgestorbenen Zellen.

    Abb. 33: Rekrutierte Makrophagen

    Makrophagen erkennen Krankheitserreger durch spezielle Proteine auf deren Oberfläche, die Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs). Diese Oberflächenproteine der Erreger passen in die Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) der Makrophagen wie ein Schlüssel in ein Schloss. Auch Zelltrümmer oder abgestorbene Zellen bilden spezifische ‚eat-me‘-Signale, die von Makrophagen auf ähnliche Weise erkannt werden. Sobald der Krankheitserreger oder Zellabfall erkannt wurde, bindet die Makrophage an ihn, umschließt ihn mit ihrer beweglichen Membran und leitet die Phagozytose ein.

    Abb. 34: Eine Makrophage erkennt, bindet und umschließt ein Pathogen zur Zerstörung.

    Bei der Phagozytose nimmt die Makrophage den Erreger oder Zelltrümmer durch Einstülpen in sich auf und bildet ein membranumhülltes Bläschen, das Phagosom. Dieses Phagosom fusioniert mit einem Lysosom, wodurch ein Phagolysom entsteht. Im Phagolysom werden die aufgenommenen Partikel durch die Verdauungsenzyme des Lysosoms abgebaut. Hier kannst du dir Makrophagen in Aktion anschauen.

    Abb. 35: Während der Phagozytose wird der Erreger in einem membranumhülltes Bläschen, dem Phagosom (1), eingeschlossen. Das Phagosom verschmilzt mit dem Lysosom (2), das Verdauungsenzyme enthält. Im resultierenden Phagolysosom (3) wird der Erreger durch die Verdauungsenzyme abgebaut.

    Die Phagozytose ist ein uralter Mechanismus, der bis zu den einzelligen Eukaryoten wie Amöben zurückreicht, und bietet ein anschauliches Beispiel dafür, wie sich das Immunsystem über Millionen von Jahren entwickelt hat.

    Phagozytose: Ein uralter Überlebensmechanismus

    Ein schönes Beispiel, wie sich das Immunsystem im Laufe von Jahrmillionen entwickelt hat, ist die Phagozytose.

    Die Geschichte der Phagozytose reicht weit zurück und ist eng mit der Evolution des Lebens verbunden. Bereits einzellige Organismen wie Amöben nutzen seit mehr als 100 Millionen Jahren die Phagozytose, um Nahrung aufzunehmen. Um ihre Nahrung aufzuspüren, besitzen sie Rezeptoren, die auf spezifische chemische Substanzen reagieren, die von Bakterien oder anderen potenziellen Nahrungsquellen freigesetzt werden. Amöben bewegen sich in Richtung dieser Signale durch einen Prozess, der Chemotaxis genannt wird. Dann umschließen sie ihre Beute mit ihrer Zellmembran und bilden sogenannte Nahrungsvakuolen, in denen die Verdauung stattfindet.

    Amöben sind somit hervorragende Beispiele für die frühen Nutzer der Phagozytose. Sie sind uralte Lebensformen, die in ihrer Struktur einfach, aber in ihrer Funktion sehr effektiv sind. Der Phagozytose-Mechanismus könnte evolutionär sogar als Grundlage für den Zellfusionsprozess gedient haben, der schließlich zur Entstehung der eukaryotischen Zelle führte, welche komplexere Organismen ermöglichte.

    Quellen:
    Die Ursprünge der Phagozytose und Eukaryogenese
    The Endosymbiotic Theory

    Entdeckung durch Ilya Metschnikow
    Der eigentliche Begriff „Phagozytose“ wurde erstmals Ende des 19. Jahrhunderts von dem russischen Biologen Ilya Metschnikow geprägt, der als Pionier der Immunbiologie gilt. Während eines Aufenthalts in Italien führte Metschnikow Untersuchungen an Seesternen durch und beobachtete, wie bestimmte Zellen Krankheitserreger oder Fremdpartikel verschlangen. Diese Zellen nannte er „Phagozyten“ (griechisch: „Fresszellen“), und den Prozess selbst bezeichnete er als „Phagozytose“. Für diese Entdeckung erhielt Metschnikow 1908 den Nobelpreis für Medizin.

    Evolution der Phagozytose im Immunsystem

    Im Laufe der Evolution hat sich die Phagozytose von einem Mechanismus zur Nahrungsaufnahme zu einer zentralen Komponente des Immunsystems entwickelt. Immunzellen wie Makrophagen, dendritische Zellen und neutrophile Granulozyten im angeborenen Immunsystem haben die Phagozytose verfeinert und nutzen diese Fähigkeit nicht nur, um Krankheitserreger zu erkennen, zu verschlingen und zu zerstören, sondern auch zur Kommunikation mit anderen Immunzellen.

    Das „Spazierentragen“ der Antigene auf der Zelloberfläche ist dabei ein echter evolutionärer Kniff: Die Immunzellen präsentieren Bruchstücke der verdauten Erreger (Antigene), um andere Zellen des Immunsystems zu alarmieren. Während Amöben ihre Beute also einfach nur verdauen, haben Immunzellen gelernt, daraus eine „Botschaft“ für den Körper zu machen!

    Makrophagen konzentrieren sich hauptsächlich auf das „Fressen“ von Krankheitserregern und das „Aufräumen“ von Zelltrümmern. Dabei entsteht jedoch auch die Möglichkeit der Antigenpräsentation.

    Während des Abbaus werden kleinere Fragmente freigesetzt, darunter potenzielle Antigene, die an MHC-Klasse-II-Moleküle gebunden und auf der Zelloberfläche präsentiert werden. Diese Antigenpräsentation ist entscheidend für die Aktivierung anderer Immunzellen, insbesondere der T-Zellen. Die Antigen-MHC-II-Komplexe werden den T-Zellen präsentiert, die daraufhin die spezifische Immunantwort einleiten – ein Prozess, auf den wir in den kommenden Abschnitten noch ausführlicher eingehen werden.

    Abb. 36: Nach der Verdauung des Erregers werden Abfallstoffe durch Exozytose (ein Vorgang, bei dem unerwünschte Substanzen in Bläschen verpackt und aus der Zelle transportiert werden) aus der Makrophage ausgeschieden. Gleichzeitig binden einige der entstandenen Antigenfragmente an MHC-Klasse-II-Moleküle und werden zur Zelloberfläche transportiert. Dort können andere Immunzellen die Antigen-MHC-II-Komplexe erkennen und so eine spezifische Immunantwort einleiten.

    Viele weitere kleinere Moleküle, die durch den Verdauungsprozess entstehen, wie Aminosäuren, Zucker und Lipide, können von der Makrophage als Nährstoffe wiederverwendet werden.

    Andere Abfallprodukte und unverdauliche Reste werden in Vesikel verpackt und aus der Zelle ausgeschieden. Dies verhindert die Ansammlung von Abfall innerhalb der Makrophage und ermöglicht ihr, weiter zu arbeiten. Einige der unverdaulichen Reste können letztlich über verschiedene Ausscheidungsprozesse des Körpers entfernt werden, wie beispielsweise über den Urin, den Stuhl oder durch Schwitzen. Dies erfolgt nach weiterem Abbau und Transport durch das lymphatische System oder die Blutbahn zu den entsprechenden Organen wie den Nieren oder dem Darm.

    Makrophagen sind sehr effiziente Phagozyten und können eine große Anzahl von Pathogenen und Zellabfällen aufnehmen und abbauen. Innerhalb weniger Stunden kann eine Makrophage Hunderte von Bakterien phagozytieren.

    Da in der Regel nicht nur ein einziger Krankheitserreger in den Körper eindringt, rufen Makrophagen weitere Immunzellen zu Hilfe. Dazu sondern sie Zytokine ab, die die Immunantwort verstärken.

    Die Zytokine bewirken, dass sich die Blutgefäße in der Umgebung der Infektionsstelle erweitern. Dies führt zu einer erhöhten Durchblutung, wodurch mehr Immunzellen, Sauerstoff und Nährstoffe zur betroffenen Stelle gelangen. Dadurch kommt es zu einer Schwellung (Ödem) im Gewebe, was auch die Rötung und Wärme erklärt, die oft mit Entzündungen einhergehen.

    Abb. 37: Weitere Immunzellen finden über Zytokine die Erreger.

    Im weiteren Verlauf stoßen Makrophagen den Heilungsprozess an, indem sie Wachstumsfaktoren freisetzen, die die Zellteilung und -differenzierung fördern.

    Makrophagen spielen eine zentrale Rolle in der unmittelbaren Immunabwehr. Ihre Hauptaufgaben sind die Bekämpfung und Beseitigung von Pathogenen sowie das Aufräumen von Zelltrümmern durch Phagozytose. Dazu besitzen Makrophagen etwa 60 verschiedene Arten von Rezeptoren, die es ihnen ermöglichen, eine Vielzahl von Krankheitserregern zu erkennen. Zusätzlich übernehmen sie die Antigenpräsentation, um die spezifische Immunantwort zu unterstützen, obwohl dies eher eine ergänzende Funktion ist. Im Gegensatz dazu sind dendritische Zellen spezialisierter auf die Sammlung und Präsentation von Antigenen, um gezielt die adaptive Immunabwehr zu aktivieren.

    5.3. c) Dendritische Zellen

    Dendritische Zellen sind spezialisierte Immunzellen, die eine Schlüsselrolle bei der Auslösung der spezifischen Immunantwort einnehmen. Der Name leitet sich von ihren zahlreichen, verzweigten Fortsätzen ab, die an die Dendriten von Nervenzellen erinnern.

    Dendritische Zellen entstehen aus Vorläuferzellen im Knochenmark und differenzieren sich im Gewebe weiter. Sie sind in nahezu allen Geweben des Körpers zu finden, insbesondere an den Grenzflächen zur Außenwelt wie Haut, Atemwege und Magen-Darm-Trakt, wo sie kontinuierlich auf der Suche nach Antigenen sind. Im Gewebe können sie sich in verschiedene Untertypen entwickeln, die jeweils spezifische Aufgaben bei der Erkennung und Präsentation von Antigenen übernehmen.

    Dendritische Zellen erkennen Krankheitserreger und Fremdstoffe durch spezielle Rezeptoren auf ihrer Oberfläche, die sogenannten Mustererkennungsrezeptoren (PRRs). Diese Rezeptoren binden an charakteristische Molekülmuster auf den Pathogenen, die als Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) bekannt sind. Auch beschädigte oder abgestorbene Zellen senden spezifische „eat-me“-Signale aus, die von den dendritischen Zellen erkannt werden.

    Abb. 38: Die dendritische Zelle erkennt das Pathogen über spezielle Mustererkennungsrezeptoren und bindet es. Anschließend stülpt sich die Zellmembran an der Bindungsstelle ein und umschließt das Pathogen vollständig, sodass es von der dendritischen Zelle aufgenommen wird.

    Sobald dendritische Zellen Krankheitserreger oder Zelltrümmer aufgenommen haben, durchlaufen sie einen Reifungsprozess. Dieser Prozess beginnt mit der Erkennung der PAMPs auf den Pathogenen durch die PRRs. Nach dieser Erkennung phagozytieren die dendritischen Zellen die Pathogene oder Zellabfälle und schließen sie in einem membranumhüllten Bläschen, dem Phagosom, ein. Innerhalb des Phagosoms werden die aufgenommenen Materialien durch Verdauungsenzyme abgebaut.

    Während dieses Abbaus entstehen kleinere Fragmente, die als Antigene bezeichnet werden. Diese Antigene werden dann an MHC-Klasse-II-Moleküle gebunden und auf der Zelloberfläche präsentiert.

    Abb. 39: Während der Phagozytose bildet sich ein membranumhülltes Bläschen, das Phagosom (1). Dieses verschmilzt mit einem Lysosom (2), das Verdauungsenzyme enthält, wodurch der Erreger abgebaut wird. Im resultierenden Phagolysosom (3) entstehen kleinere Fragmente, darunter auch potenzielle Antigene. Diese Antigene werden an MHC-Klasse-II-Moleküle gebunden und auf der Zelloberfläche präsentiert.

    Nach der Aufnahme und Verarbeitung von Antigenen wandern dendritische Zellen in die nächstgelegenen Lymphknoten, wo sie die Antigene den T-Zellen präsentieren und so die Aktivierung der spezifischen Immunantwort initiieren.

    Obwohl dendritische Zellen auch als Phagozyten in der angeborenen Immunabwehr eine wichtige Rolle spielen, liegt ihre Hauptfunktion als Antigen-präsentierende Zellen (APCs) in der Aktivierung der spezifischen Immunabwehr. Daher werden wir uns im Kapitel ‚Die spezifische Immunabwehr‘ ausführlich mit ihrer Rolle als APC beschäftigen.

    Neben der Aktivierung der spezifischen Immunantwort können dendritische Zellen auch regulierend wirken. Je nach Kontext und den empfangenen Signalen können sie sowohl immunstimulierende als auch immunsuppressive Funktionen übernehmen, und tragen so zur Feinabstimmung der Immunreaktionen bei.

    5.3. d) Natürliche Killerzellen

    Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) sind eine Art von Lymphozyten, die zu den Leukozyten (weißen Blutkörperchen) gehören. Sie entwickeln sich aus lymphatischen Stammzellen im Knochenmark und sind ein essenzieller Bestandteil der angeborenen Immunantwort.

    NK-Zellen zirkulieren im Blut und haben die Aufgabe, den Zelltod (Apoptose) bestimmter Zellen, insbesondere virusinfizierter Zellen und Tumorzellen, gezielt auszulösen. Ihre Präsenz im Blut ermöglicht es ihnen, schnell auf Infektionen zu reagieren und in verschiedene Gewebe einzudringen, wenn eine Bedrohung auftritt. Sie sind auch in verschiedenen Geweben und Organen des Körpers zu finden, insbesondere in der Milz, der Leber, den Lymphknoten und der Lunge.

    Obwohl NK-Zellen nicht aktiviert werden müssen, wird ihre Aktivität durch Zytokine gesteigert. Im Gegensatz zu anderen Immunzellen besitzen sie keine spezifischen Rezeptoren für fremde Antigene. Stattdessen nutzen sie eine Reihe von Rezeptoren, die in zwei Kategorien unterteilt werden: aktivierende und inhibierende Rezeptoren.

    Inhibierende Rezeptoren

    Inhibierende Rezeptoren erkennen MHC-Klasse-I-Moleküle, die normalerweise auf der Oberfläche aller kernhaltigen Zellen vorhanden sind und als SELBST-Marker für das Immunsystem dienen. Die Bindung der inhibierenden Rezeptoren erfolgt unabhängig von den präsentierten Peptiden auf dem MHC-Klasse-I-Molekül; die NK-Zelle erkennt nicht direkt die Peptide, sondern das MHC-Klasse-I-Moleküls selbst.

    NK-Zellen scannen die Zelloberflächen im Körper und binden ihre inhibierenden Rezeptoren an MHC-Klasse-I-Moleküle. Aufgrund der Bindung wird ein inhibierendes (negatives) Signal in die NK-Zelle gesendet. Dieses Signal unterdrückt die Aktivierung der NK-Zelle und schützt somit die gesunden Zellen vor Angriffen.

    Tumorzellen und virusinfizierte Zellen reduzieren oft die Expression von MHC-Klasse-I-Molekülen, um der Erkennung durch zytotoxische T-Zellen zu entgehen. Dieses Phänomen wird als ‚missing-self‚-Prinzip bezeichnet.  Wenn eine Zelle keine oder reduzierte MHC-Klasse-I-Moleküle auf ihrer Oberfläche exprimiert, wird das inhibierende (negative) Signal nicht gesendet und die Zielzelle wird angegriffen.

    Abb. 40: LINKS: NK-Zelle erkennt MHC-I und wird gehemmt, RECHTS: NK-Zelle findet kein MHC-I und wird aktiviert

    Aktivierende Rezeptoren

    Aktivierende Rezeptoren erkennen Stressmoleküle, die auf der Oberfläche von infizierten oder transformierten Zellen exprimiert werden. Es gibt verschiedene Stressmoleküle, die zusammengefasst als ‚Stress-induced self‚ bezeichnet werden. Wenn Zellen unter Stress stehen, exprimieren sie diese Moleküle. Die aktivierenden Rezeptoren auf NK-Zellen erkennen diese Stressmoleküle, was zur Aktivierung und zum Angriff der NK-Zellen auf die betroffenen Zellen führt.

    Abb. 41: Stressmoleküle werden von der NK-Zelle erkannt und der Angriff wird eingeleitet trotz vorhandener MHC-I-Erkennung.

    Die Aktivierung der NK-Zellen hängt von einem feinen Gleichgewicht zwischen aktivierenden und inhibierenden Signalen ab. Wenn sowohl aktivierende als auch inhibierende Signale erkannt werden, erfolgt eine Gewichtung dieser Signale. Im Falle einer überwiegenden Hemmung durch die inhibierenden Rezeptoren wird die Aktivierung der NK-Zelle unterdrückt, und die Zielzelle bleibt geschützt. Wenn jedoch die aktivierenden Signale dominieren oder die inhibierenden Signale schwächer sind, wird die NK-Zelle aktiviert und greift die Zielzelle an. Auf diese Weise können NK-Zellen ihr Ziel erkennen und töten, trotz der Bemühungen von Zielzellen, der Immunüberwachung zu entgehen.

    Die Natürliche Killerzelle (NK-Zelle) kann die Zielzelle auf zwei Arten eliminieren.

    1) Tötung durch Perforine und Granzyme

    Zum einen setzt sie Zellgifte frei. Im Zytoplasma der NK-Zelle befinden sich zahlreiche kleine Granula, die Proteine wie Perforin und Granzyme enthalten.

    Diese werden in der Umgebung der Zielzelle freigesetzt. Die Perforine bohren Löcher in die Membran der Zielzelle, durch die Granzymen eindringen und die Apoptose einleiten.

    Abb. 42: Die Natürliche Killerzelle erkennt eine virusinfizierte Zelle. Da sie kein hemmendes Signal empfängt und somit ein positives Signal für den Angriff erhält, aktiviert sie ihren Abwehrmechanismus und tötet die Zielzelle durch die Freisetzung von Zellgiften.

    Manchmal binden Antikörper (die vom Immunsystem produziert werden) an abnormale Zellen wie virusinfizierte Zellen oder Krebszellen. NK-Zellen erkennen dabei nicht den spezifischen variablen Teil des Antikörpers, der an das Antigen gebunden ist, sondern die konstante Schwanzregion des Antikörpers, den sogenannten Fc-Teil. An dieser Stelle reicht es zu wissen, dass Antikörper aus einem variablen und einem konstanten Teil bestehen. Antikörper werden wir in späteren Kapiteln genauer betrachten. NK-Zellen besitzen Fc-Rezeptoren, die speziell an diesen konstanten Fc-Teil der Antikörper binden.

    Nachdem die NK-Zelle an die Antikörper gebunden hat, setzt sie Perforine und Granzyme frei, um die Zielzelle zu zerstören.

    Abb. 43: Eine natürliche Killerzelle erkennt die konstante Schwanzregion des Antikörpers, der an eine virusinfizierte Zelle gebunden ist. Durch die Bindung über ihren Fc-Rezeptor setzt die NK-Zelle Zellgifte (Perforine und Granzyme) frei, um die infizierte Zelle zu zerstören.

    2) Tötung durch Fas-Ligand (FasL)

    Tumorzellen oder infizierte Zellen können Fas-Rezeptoren exprimieren. Fas ist ein spezifischer ‚Todesrezeptor‘. NK-Zellen besitzen Fas-Liganden (FasL). Wenn die NK-Zelle mit ihrem Fas-Ligand an den Fas-Rezeptor der Zielzelle bindet, übermittelt sie der Zielzelle Signale, die den Apoptoseweg aktivieren. Der Kontakt zwischen Fas-Ligand und Fas-Rezeptor wird auch als ‚Todeskuss‘ bezeichnet.

    Abb. 44: Eine Natürliche Killerzelle erkennt eine virusinfizierte Zelle über den Fas-Liganden. Nach der Bindung an den Fas-Rezeptor der Zielzelle sendet sie Signale, die die Apoptose einleiten.

    Die Zielzelle durchläuft eine Reihe geordneter Veränderungen: Zuerst schrumpft sie, und das Chromatin (das Material, aus dem die Chromosomen bestehen) verdichtet sich. Danach wird die DNA in kleine Fragmente zerlegt. Schließlich zerfällt die Zelle in kleine Bläschen, sogenannte apoptotische Körperchen, die von spezialisierten Zellen des Immunsystems, wie Makrophagen, erkannt und beseitigt werden.

    Abb. 45: Nach der Apoptose der Zielzelle beseitigen Makrophagen die Überreste durch Phagozytose.

    Das folgende Animationsvideo erklärt kurz und prägnant die Funktion und Bedeutung der NK-Zellen.

    Quelle: Immune System – Natural Killer Cell

    „In der jüngeren Vergangenheit ging man davon aus, dass NK-Zellen nicht über ein immunologisches Gedächtnis verfügen, sich also nicht an Begegnungen mit virus-infizierten Zellen ‚erinnern‘ können. Seit einigen Jahren gibt es jedoch Hinweise, dass sie sich im Laufe ihres Lebens an ihre Umgebung anpassen – Fähigkeiten, die man bisher nur dem erworbenen Immunsystem zugeordnet hat.“ [DocCheck]

    Obwohl NK-Zellen zum angeborenen Immunsystem gehören, werden sie oft als Schnittstelle zwischen dem angeborenen und dem erworbenen Immunsystem betrachtet, da sie durch die Interaktion mit anderen Immunzellen die gesamte Immunreaktion beeinflussen. Natürliche Killerzellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Bekämpfung von Virusinfektionen und Krebszellen und halten diese Bedrohungen in Schach, bis die spezifische Immunabwehr vollständig aktiviert ist.

    Die Leukozyten (weißen Blutkörperchen) als zweite Verteidigungslinie werden bei ihrer Arbeit durch das Komplementsystem unterstützt.

    5.4. Das Komplementsystem

    Ein wichtiger Teil unserer Immunantwort ist das Komplementsystem. Es ist bereits bei Neugeborenen vorhanden und gehört somit zum angeborenen Immunsystem. Als Sofortmaßnahme richtet es sich gegen Eindringlinge, die die natürlichen Körperbarrieren, also Haut oder Schleimhaut, überwunden haben. Im Zusammenspiel mit dem spezifischen Immunsystem „komplementiert“ es die Immunantwort.

    Im Wesentlichen hat das Komplementsystem drei Aufgaben: es markiert Feinde, aktiviert die Immunabwehr und brennt Löcher in die Feinde, bis sie sterben.

    Um Pathogene wieder loszuwerden, durchläuft das Komplementsystem folgende Phasen:

    a) Erkennen und Markieren des Pathogens (Opsonierung)
    b) Aktivierung der Immunabwehr (Entzündung, Komplement-Kaskade)
    c) Zerstörung des Pathogens (Phagozytose, Lyse)
    d) Beseitigung der Überreste und Heilung des geschädigten Gewebes

    Für diese Aufgaben stehen etwa 30 Komplement-Proteine zur Verfügung, die in den Körperflüssigkeiten und im Gewebe vorhanden sind. Diese Proteine haben unterschiedliche Funktionen und werden Komplementfaktoren (C1, C2, C3, … C9) genannt. Sie sind in der Lage, sich in weitere Untereinheiten zu spalten (z.B. aus C3 wird C3a und C3b). Mit der Spaltung werden sie aktiviert.

    a) Erkennen und Markieren des Pathogens

    Pathogene werden an sich wiederholenden Mustern auf ihrer Oberfläche erkannt, die nur auf körperfremden Mikroorganismen oder kranken Zellen vorhanden sind. Auf der Suche nach krankmachenden Veränderungen patrouillieren Komplement-Proteine unentwegt durch Blut, Gewebe und Schleimhaut. Sobald sie auf etwas Fremdes stoßen, das sie als pathogen erkennen, heften sie sich an das Fundstück und markieren es damit für das Immunsystem als FREMD.

    Abb. 46: Beispiele für Fundstücke

    Das Fundstück kann zum Beispiel ein Antigen-Antikörper-Komplex, auch Immunkomplex (IC) genannt, sein, bei dem ein Antikörper an ein Antigen gebunden hat.

    Oder sie heften sich an die Oberflächen von Bakterien, Viren und anderen Parasiten. Diesen Prozess nennt man Opsonierung. Die so markierten Pathogene sind nun besser für andere Immunzellen wie Makrophagen, dendritische Zellen, Granulozyten und natürliche Killerzellen sichtbar und greifbar. Je nachdem, wie die Opsonierung erfolgt, unterscheidet man drei verschiedene Komplementwege.

    Abb. 47: Verschiedene Komplementwege

    b) Aktivierung der Immunabwehr

    Je nach Aktivierungsweg binden unterschiedliche Proteine an das Pathogen (siehe obige Abbildung). Im klassischen Weg bindet C1 an Antigen-Antikörper-Komplexe (Immunkomplexe), im Lektin-Weg bindet Mannose-bindendes Lektin (MBL) an Zuckerstrukturen (Mannose) auf der Pathogenoberfläche, und im alternativen Weg bindet C3 direkt an die Pathogenoberfläche. Diese Bindungen führen alle zur Bildung der C3-Konvertase, einem speziellen Enzym, dass das Protein C3 in zwei Teile aufspaltet: C3a und C3b.

    Da dieser Mechanismus komplex ist, wird hier nur kurz erwähnt, dass es im klassischen Weg und im Lektin-Weg nach der Bindung der entsprechenden Proteine zu einer Reihe von Reaktionen kommt, die letztlich zur Bildung der C3-Konvertase führen. Im alternativen Weg bildet sich C3-Konvertase direkt aus. C3b, das Produkt dieser Spaltung, heftet sich dann an die Oberfläche des Pathogens. Im alternativen Weg verbleibt C3b direkt an der Pathogenoberfläche.

    Abb. 48: Verschiedene Komplementwege führen alle zur C3-Konvertase.

    Die kleineren C3a-Proteine wirken als Notsignale, die weggespült werden und dabei weitere Komplement-Proteine aktivieren. Diese neu mobilisierten Proteine folgen den Notsignalen zum Ursprung der Entzündung, heften sich an den Feind und spalten sich ebenfalls. Dies führt zu einem Domino-Effekt, der als Komplement-Kaskade bezeichnet wird. Eine Entzündungsreaktion wird ausgelöst, die sich immer weiter verstärkt, bis unzählige Komplement-Proteine die Eindringlinge bedecken.

    Abb. 49: Unzählige Komplement-Proteine bedecken den Eindringling.

    Die Notsignale bewirken außerdem, dass sich die lokalen kleineren Blutgefäße weiten und durchlässiger werden. Dadurch können Immunzellen leichter aus den Blutgefäßen in das infizierte Gewebe einwandern. Zusätzlich werden durch die Notsignale auch weitere Immunzellen angelockt. Dies führt zu einer Schwellung der Umgebung am Infektionsort, wodurch die typischen Merkmale einer Entzündung wie Schwellung, Rötung, Wärme und Schmerz entstehen. Die Entzündung brennt.

    Abb. 50: Komplement-Kaskade führt zur Entzündung

    c) Zerstörung des Pathogens

    Die herbeigerufenen Immunzellen finden die markierten Erreger, indem sie spezielle Komplementrezeptoren auf ihrer Oberfläche nutzen, die an das C3b-Protein binden. Diese Rezeptoren ermöglichen es den Phagozyten, die markierten Pathogene gezielt zu erkennen. Anschließend umhüllen die Fresszellen (Phagozyten) das Pathogen, nehmen es in sich auf und verdauen es.

    Abb. 51: Phagozytose des mit C3b opsonierten (markierten) Pathogens

    Auch die Komplement-Proteine gehen zum Angriff über. Am Eindringling binden nun weitere Proteine (C5b, C6, C7, C8 und mehrere C9). Diese Komplement-Proteine formieren sich zu Protein-Einheiten (C5b678poly9-Komplexen), sogenannten Membranangriffskomplexen (MAC), und diese stanzen Poren in die Zellmembran des Feindes. Die so erzeugten Löcher in der Zellmembran führen zum Flüssigkeitsaustausch zwischen Zellinnerem und Umgebung, was zur Auflösung des Krankheitserregers führt, die sogenannte Lyse.

    Abb. 52: Komplement-Proteine bilden Membranangriffskomplex (MAC), der zur Lyse führt.

    Die Animation „Kleine Bomben im Blut – Das Komplement-System“ stellt sehr anschaulich die beschriebenen komplexen Prozesse dar.

    Das Komplementsystem steht in starker Wechselwirkung mit dem Gerinnungssystem. Die durch das Komplementsystem ausgelöste Entzündungsreaktion verursacht an der Infektionsstelle eine Blutgerinnung. Gerinnsel verschließen die kleinen Blutgefäße und verhindern so, dass sich die Krankheitserreger über das Blut weiter ausbreiten können. Gleichzeitig wird Flüssigkeit ins Gewebe und von dort zu den Lymphknoten geleitet. Die mit Antigenen beladenen dendritischen Zellen erreichen so leichter die Lymphknoten. Dort präsentieren sie die Antigene den T-Zellen und leiten somit die spezifische Immunantwort ein.

    d) Beseitigung der Überreste und Heilung des geschädigten Gewebes

    Die Immunantwort endet, wenn die Bedrohung beseitigt wurde. Für die Heilung müssen zunächst die Überreste von Zellschrott, Bakterien oder Viren aus dem Wundgebiet beseitigt werden. Diese Aufgabe übernehmen die Makrophagen. Durch die Reinigung löst sich die Entzündung auf. Mit der Bildung neuer Zellen wird das Gewebe repariert oder vollständig regeneriert. Die überflüssig gewordenen Gerinnsel werden durch Fibrinolyse, also die enzymatische Auflösung von Gerinnseln, wieder abgebaut.

    Regulierung des Komplementsystems

    Die verschiedenen Komplement-Fragmente haben auch eine immunregulierende Wirkung. Diese Regulatoren können die Abwehrreaktion verstärken oder hemmen und somit die Immunantwort beenden. Eine Fehlregulierung des Komplementsystems hat schwerwiegende Folgen für die Gesundheit. Sowohl das Komplement- als auch das Gerinnungssystem sollen nur lokal wirken. Die Ausbreitung auf den gesamten Organismus hätte schwerwiegende Folgen. Eine Fehlregulierung kann zu Autoimmunität führen, bei der körpereigene Zellen angegriffen werden und verschiedene Krankheiten entstehen.

    Durch die Kombination von Leukozyten und dem Komplementsystem wird eine effektive und koordinierte Abwehr gegen Infektionen gewährleistet. Schaffen es die spezialisierten Immunzellen in Zusammenarbeit mit dem Komplementsystem, alle Erreger zu eliminieren, so endet hier die Immunantwort. Jedoch gelingt es nicht immer, alle Pathogene durch die unspezifische Abwehr vollständig zu beseitigen. In solchen Fällen tritt das spezifische Immunsystem in Aktion.

    5.5. Die spezifische Immunabwehr

    Obwohl die angeborene, unspezifische Abwehr sehr schnell reagiert, ist sie jedoch nicht immer ausreichend. Sie kann viele Krankheitserreger abwehren, aber einige sind in der Lage, diese Verteidigungslinie zu überwinden. Ab diesem Zeitpunkt reagiert der Körper mit einer gezielten, also spezifischen Immunantwort. Die spezifische Abwehr ist langsamer als die Unspezifische, da sie Zeit benötigt, um eine maßgeschneiderte Antwort auf den Eindringling zu entwickeln.

    Da sich diese Abwehr gezielt gegen bestimmte Krankheitserreger richtet, hat sie eine wesentlich höhere Treffsicherheit und Effizienz. Zudem kann sie sich Informationen über einen Angreifer merken. Sie entwickelt sich in einem lebenslangen Trainingsprozess. Daher bezeichnet man sie auch als erworbene Immunabwehr oder adaptive Immunabwehr.

    5.5.1. Schlüsselspieler der adaptiven Immunantwort
    5.5.2. Naive B- und T-Zellen: Die Vielfalt der Immunantwort
    5.5.3. Die Rolle der antigenpräsentierenden Zellen (APCs)
    5.5.4. Die Bedeutung der Lymphknoten für die adaptive Immunantwort
    5.5.5. Erkennungsphase
    5.5.6. Aktivierungsphase
    5.5.7. Effektorphase
    III – Dritte Verteidigungslinie: die Antikörper
    5.5.8. Arten von Antikörpern
    5.5.9. Die Wirkungsphase der Antikörper
    5.5.10. Regulatorische T-Zellen und ihre Rolle im Immunsystem
    5.5.11. Abschaltphase
    5.5.12. Gedächtnisphase
    5.5.1. Schlüsselspieler der adaptiven Immunantwort

    Schlüsselspieler der adaptiven Immunantwort sind spezialisierte Leukozyten, die B-Lymphozyten (B-Zellen) und T-Lymphozyten (T-Zellen). Diese arbeiten in zwei eng miteinander verflochtenen Systemen: der humoralen und der zellulären Immunantwort.

    Abb. 53: Immunzellen der spezifischen Immunabwehr
    a) Entwicklung und Reifung der Lymphozyten
    b) Humorale und Zelluläre Abwehrmechanismen
    c) Migration und Verteilung der Lymphozyten
    d) Struktur der lymphatischen Organe
    a) Entwicklung und Reifung der Lymphozyten

    B- und T-Zellen entstehen aus Stammzellen im Knochenmark. Während die B-Zellen im Knochenmark vollständig ausreifen, wandern die T-Zellen nach ihrer Bildung in den Thymus, um dort ihre Reifung abzuschließen. Die Kürzel B und T leiten sich von ihren Bildungsorten ab: B steht für Bone Marrow (Knochenmark), und T steht für Thymus.

    B- und T-Zellen gelten als naiv, solange sie noch keinem Antigen begegnet sind.

    b) Humorale und Zelluläre Abwehrmechanismen

    Bei der humoralen Abwehr handelt es sich um die Bekämpfung von Krankheitserregern in den Körperflüssigkeiten wie Blut und Lymphe (lat. humor bedeutet Flüssigkeit). Die Hauptakteure dieser Abwehr sind die B-Lymphozyten. Sie erkennen spezifische Antigene und produzieren daraufhin Antikörper, die sich an die Antigene binden. Diese Bindung markiert die Krankheitserreger für die Vernichtung durch andere Immunzellen oder neutralisiert sie direkt. Dieser Prozess ist besonders effektiv gegen Pathogene, die sich außerhalb der Körperzellen befinden, wie Bakterien und Viren, die noch nicht in eine Zelle eingedrungen sind.

    Die zelluläre Abwehr hingegen wird von den T-Lymphozyten ausgeführt. Sie erkennen und zerstören infizierte oder auf andere Weise abnormal gewordene Zellen. T-Lymphozyten können auch weitere Immunzellen aktivieren, um die Vernichtung von Pathogenen zu erhöhen. T-Zellen werden weiter in CD4+ T-Zellen und CD8+ T-Zellen unterteilt, die jeweils unterschiedliche Rollen in der Immunantwort haben.

    Im weiteren Verlauf des Textes werden die Begriffe CD4-T-Zellen und CD8-T-Zellen verwendet, um die Lesbarkeit zu verbessern. Das ‚+‘-Symbol bezeichnet den Ausdruck von spezifischen Oberflächenmarkern auf den T-Zellen. Es zeigt an, dass diese T-Zellen die entsprechenden Marker auf ihrer Oberfläche tragen. In vielen Kontexten kann das ‚+‘-Symbol weggelassen werden, ohne dass die Bedeutung verloren geht.

    CD4-T-Zellen sind hauptsächlich T-Helferzellen, sie unterstützen und regulieren die Aktivitäten anderer Immunzellen. CD8-T-Zellen sind hauptsächlich zytotoxische T-Zellen. Sie erkennen und zerstören infizierte Zellen, insbesondere solche, die von Viren befallen sind, sowie Krebszellen.

    c) Migration und Verteilung der Lymphozyten

    Nach ihrer Entwicklung gelangen die naiven B-Zellen und T-Zellen ins Blut. Sobald sie ein sekundäres lymphatisches Organ (zum Beispiel einen Lymphknoten) erreichen, verlassen sie das Blut und wandern durch das Lymphgewebe. Von dort aus kehren sie über die Lymphgefäße wieder ins Blut zurück und pendeln so zwischen Blut und sekundärem Lymphgewebe hin und her.

    Um das besser zu verstehen, lohnt sich ein genauerer Blick auf den Aufbau der lymphatischen Organe.

    d) Struktur der lymphatischen Organe

    Die verschiedenen sekundären lymphatischen Organe (wie Lymphknoten, Milz usw.) sind alle nach einem ähnlichen Schema aufgebaut: Sie enthalten voneinander getrennte Bereiche, in denen sich die B- und T-Zellen ansammeln – die sogenannten B-Zell- und T-Zell-Zonen. Zirkulierende T- und B-Zellen gelangen vom Blut aus über einen gemeinsamen Weg in die sekundären lymphatischen Gewebe, werden jedoch dort durch die Wirkung unterschiedlicher Chemokine (Signalproteine, die die Bewegung von Zellen steuern) in ihre jeweiligen Kompartimente (Bereiche) geleitet.

    Abb. 54: LINKS: Bestandteile des Lymphsystems, RECHTS: Aufbau eines Lymphknotens

    Ein Lymphknoten ist von einer dünnen Hülle aus Bindegewebe (Kapsel) umgeben, die kleine Trennwände ins Innere zieht und den Lymphknoten in verschiedene Abschnitte unterteilt. Auf der gewölbten Seite fließt die Lymphflüssigkeit über zuführende Lymphgefäße in den Lymphknoten. Auf der eingedrückten Seite, dem sogenannten Hilum, verlässt die gefilterte Lymphflüssigkeit den Lymphknoten durch ein spezielles abführendes Lymphgefäß. An dieser Stelle treten auch die Blutgefäße in den Lymphknoten ein und aus. Im Inneren durchläuft die Lymphflüssigkeit spezielle Kanäle, das sogenannte Sinussystem. In der äußeren Schicht des Lymphknotens befinden sich B-Zellen in kleinen Ansammlungen, den sogenannten Lymphfollikeln. Diese B-Zell-Region grenzt direkt an den Bereich der T-Zellen, den Parakortex. Sowohl B- als auch T-Zellen können über das Blut (Arterie) oder die zuführenden Lymphgefäße in den Lymphknoten eintreten und ihn dann entweder über das Blut (Vene) oder die abführenden Lymphgefäße wieder verlassen.

    Das Lymphsystem

    Das Lymphsystem ist ein wesentlicher Bestandteil unseres Immunsystems und besteht aus einem Netzwerk von Lymphgefäßen und Lymphknoten, das den gesamten Körper durchzieht. Im Gegensatz zum Blutgefäßsystem ist es nicht geschlossen. Die Lymphe, eine klare, leicht gelbliche Flüssigkeit, besteht aus Wasser, Proteinen, Fetten und weißen Blutkörperchen.

    Körperzellen benötigen Nährstoffe und Sauerstoff, um ihre vielfältigen Funktionen auszuführen, und müssen gleichzeitig Stoffwechselabfälle entsorgen. Arterien liefern frisches Blut, während Venen das verbrauchte Blut und schädliche Stoffe abtransportieren. Die Lymphe (lateinisch für ‚klares Wasser‘) dient als Vermittler zwischen Blut und Körperzellen. Sie tritt aus den Kapillaren, den dünnsten Blutgefäßen, in den Raum zwischen den Zellen aus und fließt dort frei, wobei sie Stoffwechselprodukte, Fette, Zelltrümmer und Krankheitserreger aufnimmt.

    Die Lymphe sammelt sich zunächst in feinen Gefäßen und fließt dann in größere Lymphbahnen. Schließlich mündet sie in die beiden Hauptvenenäste an der Basis des Halses. Auf ihrem Weg dorthin passiert die Lymphe zahlreiche Lymphknoten, die entlang der Lymphgefäße verteilt sind. Die Lymphknoten wirken wie Filterstationen, die die Lymphe reinigen, indem sie Krankheitserreger abfangen.

    Lymphknoten sind kleine, bohnenförmige Strukturen, die in der Regel zwischen wenigen Millimetern und etwa 1 cm groß sind. Ein gesunder Erwachsener besitzt etwa 600 bis 700 Lymphknoten, die über den ganzen Körper verteilt sind. Sie filtern nicht nur überschüssige Flüssigkeit aus dem Gewebe, sondern aktivieren das Immunsystem, sobald Krankheitserreger erkannt werden, um die Abwehrreaktion einzuleiten und den Körper gesund zu halten.

    Primäre lymphatische Organe sind das Knochenmark und der Thymus. In diesen Organen werden Lymphozyten (B-Zellen und T-Zellen) aus Stammzellen gebildet.

    Zu den sekundären lymphatischen Organen zählen die Lymphknoten, die Lymphgefäße, die Milz und die Lymphfollikel der Schleimhäute. Diese Organe wirken als Filterstationen und entfernen abgestorbene Zellen, Fremdmaterial und Proteinaggregate aus dem Kreislauf. In ihnen sind Lymphozyten, Monozyten und dendritische Zellen sehr mobil und können sich in das lymphatische Gewebe hinein- und hinausbewegen.

    5.5.2. Naive B- und T-Zellen: Die Vielfalt der Immunantwort

    Naive T-Zellen tragen auf ihrer Oberfläche einzigartige T-Zell-Rezeptoren (TCRs), die speziell für die Erkennung von Antigenen entwickelt sind. Ebenso besitzen naive B-Zellen eine Vielzahl von B-Zell-Rezeptoren (BCRs), die ebenfalls zur Antigenerkennung dienen.

    Die immense Vielfalt der TCRs und BCRs entsteht durch einen genetischen Mechanismus, der als somatische Rekombination oder somatische V(D)J-Rekombination bekannt ist. Bei diesem Prozess werden verschiedene Gensegmente zufällig neu kombiniert, was zur Bildung von Milliarden verschiedener Rezeptoren führt. Dies ermöglicht dem Immunsystem, auf nahezu jedes erdenkliche Antigen vorbereitet zu sein.

    Abb. 55: Vielfalt der naiven T-Zellen, die jeweils unterschiedliche T-Zell-Rezeptoren (TCRs) besitzen.
    Was ist die somatische V(D)J-Rekombination?

    Unser Immunsystem muss in der Lage sein, Millionen von unterschiedlichen Erregern wie Viren und Bakterien zu erkennen. Damit das möglich ist, brauchen wir eine riesige Anzahl von verschiedenen „Erkennungswerkzeugen“: Antikörpern und T-Zell-Rezeptoren. Diese Werkzeuge sind spezielle Proteine, die genau zu einem bestimmten Erreger passen müssen, ähnlich wie ein Schlüssel zu einem Schloss. Aber unser Erbgut (DNA) ist begrenzt – wie also kann der Körper so viele verschiedene Erkennungswerkzeuge herstellen?

    Die Lösung liegt in einem cleveren Mechanismus namens somatische V(D)J-Rekombination. Dieser Mechanismus funktioniert wie ein Baukasten:

    Gene als Bauplan: Antikörper und T-Zell-Rezeptoren bestehen aus verschiedenen Bausteinen, die von bestimmten Genabschnitten kodiert werden. Diese Abschnitte nennt man V (Variable), D (Diversity) und J (Joining). Jeder dieser Abschnitte gibt einen Teil des Antikörpers oder T-Zell-Rezeptors vor.

    Mix and Match: In den Vorläuferzellen der B- und T-Zellen findet die somatische V(D)J-Rekombination statt. Hierbei werden einzelne V-, D- und J-Abschnitte zufällig miteinander kombiniert, um einen einzigartigen Bauplan für einen Antikörper oder T-Zell-Rezeptor zu erstellen. Dadurch entstehen Millionen von verschiedenen Kombinationen – jede Kombination entspricht einem einzigartigen Antikörper oder Rezeptor.

    Zufällige Vielfalt: Der Prozess der Rekombination ist so gestaltet, dass er jede Menge Vielfalt schafft. Selbst winzige Änderungen in den kombinierten Abschnitten führen zu einem anderen Antikörper oder Rezeptor. So kann das Immunsystem auf praktisch jeden erdenklichen Krankheitserreger vorbereitet sein.

    Warum ist das wichtig?
    Durch die somatische V(D)J-Rekombination kann das Immunsystem eine unglaublich breite Palette an Antikörpern und T-Zell-Rezeptoren produzieren, ohne dass jedes einzelne dieser „Erkennungswerkzeuge“ in unserer DNA gespeichert sein muss. Das bedeutet, dass unser Immunsystem flexibel und anpassungsfähig ist und auch auf neue oder unbekannte Krankheitserreger reagieren kann.

    Zusammenfassung
    Die somatische V(D)J-Rekombination ist wie ein riesiger Baukasten, der es dem Immunsystem ermöglicht, Millionen von verschiedenen „Schlüsseln“ (Antikörper und T-Zell-Rezeptoren) herzustellen. Jeder Schlüssel ist einzigartig und kann einen spezifischen Krankheitserreger erkennen und bekämpfen. Dadurch kann unser Körper effektiv auf eine Vielzahl von Bedrohungen reagieren, selbst wenn wir diesen Erregern noch nie zuvor begegnet sind.

    Detaillierte Informationen zu diesem komplexen Thema findest du in den folgenden Quellen:

    „So geht’s: Ein T-Zell-Rezeptor (die einfachere Version)“
    „TCR gene rearrangements“

    Bereits ab der Geburt verfügt der Mensch über mindestens eine Immunzelle für jeden potenziellen Erreger auf diesem Planeten.
    [Evolution der Immunrezeptor-Vielfalt]

    Oder, wie es in den Videos „Das Immunsystem erklärt“ und „Diese Zellen machen dich immun gegen ALLES“ eindrucksvoll beschrieben wird: „Dein Immunsystem hat eine perfekte Waffe gegen jede einzelne mögliche Krankheit im Universum. Gegen die Pest, das Coronavirus – oder eine Infektion, die erst in 100 Jahren auf dem Mars entstehen wird.“

    Die Videos wurde im Kanal ‚Dinge Erklärt – Kurzgesagt‘ 2021 veröffentlicht, der bis Ende 2022 Teil des Netzwerkes funk von ARD und ZDF war. [wikipedia]

    Diese Diversität verleiht dem adaptiven Immunsystem seine beeindruckende Stärke, indem es eine riesige Bibliothek von Antworten auf praktisch jeden möglichen Erreger bereithält. Diese enorme Anpassungsfähigkeit ist entscheidend, um gegen die rasch evolutionierenden Bakterien und Viren bestehen zu können.

    Trotz seiner erstaunlichen Vielfalt stößt auch unser Immunsystem an Grenzen.

    Ein anschauliches Beispiel dafür ist die Pest im Mittelalter. Das Bakterium Yersinia pestis, das die Krankheit auslöste, stellte eine neuartige und tödliche Bedrohung dar. Die Infektion breitete sich so schnell aus, dass das Immunsystem der Betroffenen oft nicht rechtzeitig eine wirksame Abwehr aufbauen konnte, bevor die Krankheit tödlich verlief.

    Individuelle Unterschiede in der Immunantwort beruhen auf einer Vielzahl genetischer Faktoren. Nicht jeder Mensch verfügt über die gleiche Fähigkeit, auf Infektionen zu reagieren, was erklärt, warum manche Menschen Krankheitserreger besser abwehren können als andere. Ein wichtiger Faktor hierbei ist die Vielfalt der MHC-Moleküle, die die Erkennung und Präsentation von Krankheitserregern steuern. Menschen mit unterschiedlichen MHC-Varianten können unterschiedlich gut auf Infektionen reagieren. Während einige gegen bestimmte Erreger extrem anfällig sind, gibt es immer Menschen, die dank ihrer genetischen Ausstattung besser mit neuen Bedrohungen umgehen können. Diese genetische Vielfalt war einer der Gründe, warum nicht alle Menschen während der Pestepidemie starben – einige hatten von Natur aus stärkere Abwehrmechanismen.

    Zusätzlich beeinflussen Faktoren wie Alter, Vorerkrankungen und der allgemeine Gesundheitszustand die Leistungsfähigkeit des Immunsystems. Wenn das Immunsystem geschwächt oder überlastet ist, kann es selbst mit all seiner Komplexität und Anpassungsfähigkeit möglicherweise nicht schnell genug reagieren, um eine tödliche Infektion zu stoppen. Letztlich ist das Immunsystem ein beeindruckendes Schutzsystem, das uns gegen unzählige Bedrohungen verteidigt. Doch auch hier gibt es Grenzen, die uns daran erinnern, dass Genetik, Umweltfaktoren und das Zufallsprinzip darüber entscheiden können, wer eine Infektion überlebt – und wer nicht.

    Alle Lebewesen bestehen hauptsächlich aus Proteinen, die wie 3D-Puzzleteile aufgebaut sind und Milliarden verschiedene Formen annehmen können. Krankheitserreger nutzen diese Vielfalt, um ihre Strukturen ständig zu verändern. Das Influenzavirus zum Beispiel mutiert so schnell, dass seine Hüllproteine ständig leicht verändert sind, was es dem Immunsystem erschwert, es zu erkennen.

    Das angeborene Immunsystem kennt eine Vielzahl der häufigsten Proteinpuzzleteile und fungiert daher als Allzweckwaffe. Allerdings ist es gegen die unzähligen Mutationen und Anpassungen der Erreger oft machtlos. Hier kommt das adaptive Immunsystem ins Spiel, das in der Lage ist, zwischen einer und zehn Milliarden verschiedener feindlicher Proteinpuzzleteile zu unterscheiden.

    Damit diese hochspezialisierten Zellen jedoch effektiv gegen einen spezifischen Erreger vorgehen können, müssen sie zuerst das entsprechende Antigen präsentiert bekommen. Genau hier spielen die antigenpräsentierenden Zellen (APCs) eine entscheidende Rolle.

    5.5.3. Die Rolle der antigenpräsentierenden Zellen (APCs)

    Die Schnittstelle zwischen der angeborenen und adaptiven Immunabwehr bilden die antigenpräsentierenden Zellen (APCs). Zu den bekanntesten APCs gehören Makrophagen, dendritische Zellen und B-Zellen, wobei dendritische Zellen besonders effizient in der Aufnahme und Präsentation von Antigenen sind. Die Antigenpräsentation ist eine wesentliche Voraussetzung für die Einleitung der adaptiven Immunantwort, insbesondere für die Aktivierung der T-Zellen, die meist in den Lymphknoten stattfindet. In den Lymphknoten treffen antigenpräsentierende Zellen und T-Zellen aufeinander, was die Immunantwort ermöglicht.

    Dendritische Zellen haben die einzigartige Fähigkeit, Antigene auf zwei verschiedene Weisen zu präsentieren: über MHC-Klasse-II-Moleküle und über MHC-Klasse-I-Moleküle. Diese beiden Präsentationswege schauen wir uns genauer an.

    a) Antigenpräsentation über MHC-II-Moleküle
    b) Antigenpräsentation über MHC-I-Moleküle
    c) Dendritische Zellen wandern zu den Lymphknoten
    a) Antigenpräsentation über MHC-II-Moleküle

    Sobald eine dendritische Zelle einen (exogenen) Erreger erkannt hat, bindet sie an ihn, umschließt ihn mit ihrer beweglichen Membran und nimmt den Erreger durch Einstülpen in sich auf.

    Abb. 56: Dendritische Zelle erkennt mittels Mustererkennungsrezeptoren (PRR) molekulare Muster (PAMP) auf einem Erreger. Daraufhin wird die Phagozytose des Erregers eingeleitet. (‚exogen‘ weist darauf hin, dass der Erreger von außen in den Körper gelangt ist.)

    Der Erreger landet in einem membranumhüllten Bläschen, das als Phagosom bezeichnet wird. Das Phagosom fusioniert mit einem Lysosom, welches Verdauungsenzyme enthält, wodurch der Erreger abgebaut wird. Im Phagolysosom entstehen kleinere Fragmente, darunter auch potenzielle Antigene. Diese Antigene werden an MHC-Klasse-II-Moleküle gebunden und auf der Zelloberfläche präsentiert.

    Abb. 57: Antigenpräsentation durch MHC-Klasse-II-Moleküle in dendritischen Zellen:

    1) Phagozytose von exogenen Antigenen. 2) Abbau der Antigene in Phagolysosomen. 3) Zusammenbau und Transport von MHC-II-Molekülen aus dem endoplasmatische Retikulum (ER) zum Golgi-Apparat. 4) Fusion der Vesikel und Beladung der MHC-II-Moleküle mit Peptiden. 5) Präsentation des beladenen MHC-II an der Zelloberfläche.

    Auf diese Weise zeigt die dendritische Zelle nach außen, welchen Erreger sie entdeckt hat. Diese MHC-II-Antigen-Komplexe sind entscheidend für die Aktivierung der CD4-T-Zellen.

    Abb. 58: Dendritische Zelle präsentiert den MHC-II-Antigen-Komplex.

    Eine anschauliche kurze Visualisierung der MHC-Klasse-II-Antigenverarbeitung und -präsentation bietet Dr. Noel Kowal an.

    Quelle: MHC Class II Antigen Processing and Presentation
    b) Antigenpräsentation über MHC-I-Moleküle

    I – Direkte Infektion

    Dendritische Zellen, wie alle Zellen, müssen kontinuierlich Proteine herstellen, um zu überleben. Diese Proteine werden nach Erfüllung ihrer Funktion im Proteasom in kleinere Fragmente (Peptide) abgebaut. Wird die dendritische Zelle von einem Erreger wie einem Virus infiziert, produziert sie virale (endogene) Proteine, die ebenfalls im Proteasom abgebaut werden. Die entstehenden Peptide (Antigene) werden an die MHC-Klasse-I-Moleküle gebunden und anschließend über den Golgi-Apparat in Vesikeln zur Zellmembran transportiert. Dort stehen sie für die Erkennung durch CD8-T-Zellen bereit.

    Abb. 59: Antigenpräsentation durch MHC-Klasse-I-Moleküle in dendritischen Zellen:

    1) Die dendritische Zelle wird von einem Erreger (Virus) infiziert. 2) Der Virus wird im Proteasom in Peptide zerlegt. 3) Diese Peptide werden in das endoplasmatische Retikulum (ER) transportiert. 4) Dort binden die Peptide an MHC-Klasse-I-Moleküle. 5) Die Antigen-MHC-I-Komplexe werden über den Golgi-Apparat in Vesikel verpackt. 6) Anschließend werden sie zur Zelloberfläche transportiert. (‚endogen‘ weist darauf hin, dass der Erreger oder die Antigene von innerhalb der Zelle stammen.)

    Dr. Noel Kowal stellt ebenfalls eine prägnante Visualisierung der MHC-Klasse-I-Antigenverarbeitung und -präsentation bereit.

    Quelle: MHC Class I Antigen Processing and Presentation

    II – Kreuzpräsentation

    Interessanterweise können dendritische Zellen Antigene (von Viren oder Bakterien) auch auf MHC-Klasse-I-Molekülen präsentieren, selbst wenn sie nicht von diesen Erregern infiziert sind. Dieser Prozess heißt Kreuzpräsentation und ist wichtig für unser Immunsystem, weil er oft häufiger zur Aktivierung von Abwehrzellen führt als die direkte Infektion der dendritischen Zellen.

    Dendritische Zellen nehmen dabei Antigene von toten oder zerstörten infizierten Zellen auf. Normalerweise würden diese Antigene in einem speziellen Bläschen innerhalb der Zelle, dem Phagosom, verarbeitet und auf MHC-Klasse-II-Molekülen präsentiert. Bei der Kreuzpräsentation passiert jedoch etwas Besonderes: Die Antigene gelangen aus dem Phagosom ins Zellinnere (Zytoplasma) und werden dort vom Proteasom, in kleine Stücke zerlegt.

    Diese kleinen Proteinfragmente (Peptide) werden dann ins endoplasmatische Retikulum (ER) transportiert, wo sie an MHC-Klasse-I-Moleküle binden. Manchmal kann dieser Prozess sogar direkt im Phagosom stattfinden. Schließlich werden diese beladenen MHC-I-Moleküle an die Zelloberfläche gebracht.

    Abb. 60: Antigenpräsentation durch MHC-Klasse-I-Moleküle in dendritischen Zellen:

    1) Die dendritische Zelle phagozytiert oder nimmt virale Reste auf, die von infizierten oder zerstörten Zellen stammen. 2) Das aufgenommene Virusmaterial wird in einem Phagosom eingeschlossen, das später mit einem Lysosom fusioniert, um ein Phagolysosom zu bilden. Das Virusmaterial kann aus dem Phagolysosom ins Zytoplasma gelangen. Oder bestimmte Virusbestandteile können direkt ins Proteasom gelangen, wo sie in kleinere Peptide zerlegt werden. 3) Diese Peptide werden in das endoplasmatische Retikulum (ER) transportiert. 4) Dort binden die Peptide an MHC-Klasse-I-Moleküle. 5) Die Antigen-MHC-I-Komplexe werden über den Golgi-Apparat in Vesikel verpackt. 6) Anschließend werden sie zur Zelloberfläche transportiert.

    Auf diese Weise können dendritische Zellen Antigene, die sie eigentlich auf MHC-Klasse-II-Molekülen präsentieren würden, auch auf MHC-Klasse-I-Molekülen präsentieren. Das ist entscheidend, weil es spezielle Abwehrzellen, die CD8-T-Zellen, aktiviert, die infizierte Zellen erkennen und zerstören können.

    Der Ablauf der Kreuzpräsentation bei dendritischen Zellen ist ein komplexer und noch nicht vollständig verstandener Prozess. Obwohl in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht und viele wichtige Mechanismen aufgeklärt wurden, bleiben einige Aspekte weiterhin Gegenstand intensiver Forschung.

    Die Kreuzpräsentation ist von entscheidender Bedeutung für das Immunsystem, da sie es dendritischen Zellen ermöglicht, eine Vielzahl von Antigenen darzustellen und auf diese Weise eine starke CD8-T-Zell-Antwort zu aktivieren.

    Schutzmechanismen der dendritischen Zellen

    Dendritische Zellen (DCs) sind wichtige Akteure im Immunsystem, die eine Brücke zwischen der angeborenen und adaptiven Immunabwehr bilden. Sie können fremde Antigene präsentieren, um T-Zellen zu aktivieren und eine spezifische Immunantwort einzuleiten. Aber wie schützen sich DCs vor Angriffen durch das eigene Immunsystem, wenn sie fremde Antigene auf MHC-I-Molekülen anzeigen?

    Reifungszustand der DCs: Während DCs heranreifen, ändern sie ihre Oberfläche so, dass sie von den Immunzellen des angeborenen Immunsystems wie den natürlichen Killerzellen (NK-Zellen) nicht angegriffen werden. Reife DCs zeigen bestimmte Signale, die NK-Zellen erkennen und daraufhin keinen Angriff ausführen.

    Interaktion mit NK-Zellen: Reife DCs haben auf ihrer Oberfläche Moleküle, die den NK-Zellen anzeigen, dass sie nicht feindlich sind. Diese speziellen Moleküle wirken hemmend auf die NK-Zellen. Diese Mechanismen sorgen dafür, dass die DCs sicher zu den Lymphknoten gelangen können, wo sie die T-Zellen aktivieren.

    Immunmodulatorische Moleküle: DCs können Zytokine freisetzen, die die Aktivität von NK-Zellen und anderen Immunzellen dämpfen.

    Schnelle Migration: DCs bewegen sich schnell vom Infektionsort zu den Lymphknoten. Diese schnelle Wanderung verringert die Zeit, in der sie möglichen Angriffen durch Immunzellen ausgesetzt sind.

    Chemokine: DCs folgen speziellen chemischen Signalen, die sie auf direktem Weg zu den Lymphknoten führen. Diese Signale helfen ihnen, gefährliche Bereiche zu vermeiden, wo sie angegriffen werden könnten.

    Zellinteraktionen und Umgebung: DCs arbeiten mit anderen Immunzellen zusammen, die ebenfalls helfen können, sie zu schützen. Zum Beispiel können regulatorische T-Zellen (Tregs) die Immunantwort modulieren und so verhindern, dass die DCs angegriffen werden.

    Das Video „Cross-presentation of exogenous antigen“ beschreibt den Mechanismus der Kreuzpräsentation durch die dendritischen Zellen und seine Folgen.

    c) Dendritische Zellen wandern zu den Lymphknoten

    Nach der Antigenaufnahme und -verarbeitung wandern die dendritischen Zellen mit ihrem Fundstück zu den nächstgelegenen Lymphknoten.

    Abb. 61: Antigenpräsentierende Dendritische Zellen wandern im Lymphknoten zur T-Zell-Zone.

    Dort präsentieren sie ihre Antigen-MHC-Komplexe den naiven T-Zellen.

    Abb. 62: Antigenpräsentierende Dendritische Zellen suchen den passenden T-Zell-Rezeptor (TCR).

    Die folgende grafische Darstellung zeigt noch einmal zusammengefasst, wie dendritische Zellen auf zwei verschiedene Weisen Antigene präsentieren: über MHC-Klasse-I- und MHC-Klasse-II-Moleküle.

    Abb. 63: Dendritische Zellen aktivieren T-Zellen.

    CD4-T-Zellen besitzen sowohl einen T-Zell-Rezeptor (TCR) als auch ein CD4-Molekül, was ihnen ihren Namen verleiht. Der T-Zell-Rezeptor ist dafür verantwortlich, an ein Antigen zu binden, das von einem MHC-Klasse-II-Molekül präsentiert wird. Das CD4-Molekül bindet direkt an das MHC-Klasse-II-Molekül. Da das CD4-Molekül nicht an MHC-Klasse-I-Moleküle binden kann, stellt dies sicher, dass CD4-T-Zellen nur mit MHC-Klasse-II-Molekülen interagieren. Umgekehrt exprimieren CD8-T-Zellen einen T-Zell-Rezeptor und ein CD8-Molekül. Das CD8-Molekül kann nicht an MHC-Klasse-II-Moleküle binden, wodurch gewährleistet wird, dass CD8-T-Zellen ausschließlich mit MHC-Klasse-I-Molekülen interagieren.

    5.5.4. Die Bedeutung der Lymphknoten für die adaptive Immunantwort

    Eine adaptive Immunantwort entsteht, wenn naive T-Zellen in sekundären lymphatischen Organen wie den Lymphknoten auf aktivierte antigenpräsentierende Zellen (wie Dendritische Zellen) treffen. Diese spezialisierten Organe ermöglichen effektive Wechselwirkungen zwischen zirkulierenden Lymphozyten und ihren Zielantigenen.

    Damit die seltenen antigenspezifischen T-Zellen effizient nach antigenpräsentierenden Zellen suchen können, zirkulieren sie ständig durch die lymphatischen Organe. Hier prüfen sie Antigene, die aus verschiedenen Geweberegionen herbeigebracht wurden.

    Für die Auslösung einer adaptiven Immunantwort ist es entscheidend, dass Krankheitserreger oder ihre Antigene in die sekundären lymphatischen Organe transportiert werden. Ohne diesen Transport in die Lymphknoten können die T-Zellen nicht sensibilisiert werden, was zeigt, dass die adaptive Immunantwort nicht direkt im infizierten Gewebe initiiert wird, sondern in den lymphatischen Organen. Dort wird auch die Produktion von Antikörpern durch die aktivierten B-Zellen angeregt.

    Die adaptive Immunantwort erfordert, dass Krankheitserreger oder ihre Antigene in die sekundären lymphatischen Organe wie Lymphknoten transportiert werden. Diese Organe sind essentiell für das Auslösen der Immunantwort, einschließlich der Produktion von Antikörpern.
    [Die T-Zell-vermittelte Immunität]

    5.5.5. Erkennungsphase

    Die Aufgabe der dendritischen Zelle (DC) ist es, zwischen den Milliarden von T-Zell-Variationen die EINE passende T-Zelle zu finden, die mit dem gefundenen Erreger übereinstimmt. Die DC bleibt dafür im Lymphknoten und präsentiert ihr gefundenes Antigen, während die T-Zellen im Lymphknoten zirkulieren und die Antigen-MHC-II-Komplexe auf der Oberfläche der dendritischen Zelle abtasten. Man könnte sagen, dass die T-Zellen die dendritischen Zellen ‚beschnuppern‘ wie Gäste, denen man erstmal ‚Hallo‘ sagt. Dies kann verständlicherweise eine Weile dauern. Nur die T-Zellen, die an das Antigen binden können, werden selektiv aktiviert.

    5.5.6. Aktivierungsphase

    a) T-Zell-Aktivierung
    b) B-Zell-Aktivierung

    Sobald eine T-Zelle einen passenden Antigen-MHC-Komplex auf einer dendritischen Zelle erkennt, bindet sie daran. Dies kann mit einem festen und längeren Händedruck zur Begrüßung verglichen werden, der eine Reihe von Signalen in der T-Zelle auslöst und ihre Aktivierung bewirkt. Dieser erste Kontakt mit dem Antigen und die daraus resultierende Aktivierung naiver T-Zellen wird oft als Priming bezeichnet.

     a) T-Zell-Aktivierung 

    Die Aktivierung naiver T-Zellen wird durch mehrere Signale kontrolliert (siehe untere Abbildung). Das primäre Signal ist die Erkennung des Antigen-MHC-Komplexes (1) auf der antigenpräsentierenden Zelle. Zusätzlich erfordert die T-Zell-Aktivierung auch die Erkennung von kostimulatorischen Signalen (zusätzliche Signale zur Aktivierung von Immunzellen, 2) und Zytokinen (3), die von der antigenpräsentierenden Zelle gesendet werden.

    Abb. 64: Dendritische Zelle (DC) aktiviert über drei Signale die naive T-Zelle.

    Diese verschiedenen Signale dienen als Verifizierungsschritte und fungieren als Schutzmechanismus, um eine Überreaktion des Immunsystems zu verhindern. Detaillierte Informationen zur T-Zell-Aktivierung findet man hier und hier.

    Nach der Aktivierung verweilen die T-Zellen für mehrere Tage in der T-Zell-Zone des Lymphknotens. Während dieser Zeit beginnen sie sich zu teilen und zu differenzieren. Die naiven T-Zellen entwickeln sich zu T-Effektorzellen, die für unterschiedliche Aktivitäten spezialisiert sind. Die Differenzierung der T-Zellen in verschiedene T-Effektorzellen hängt von der Kombination der Zytokine und anderen Signalen ab, die während der Aktivierung und der anfänglichen Phase der Immunantwort präsent sind.

    Einige aktivierte CD4-T-Zellen differenzieren sich zu T-Helferzellen (Th-Zellen), die andere Immunzellen unterstützen und die Immunantwort verstärken. Andere können zu regulatorischen T-Zellen (Treg) werden, die helfen, die Immunantwort zu kontrollieren und zu verhindern, dass das Immunsystem überreagiert und körpereigenes Gewebe angreift.

    Aktivierte CD8-T-Zellen differenzieren sich in zytotoxische T-Zellen (Tc). Diese Tc-Zellen können infizierte Zellen oder Tumorzellen gezielt abtöten, indem sie zellschädigende Substanzen freisetzen.

    Detaillierte Informationen zur T-Zell-Differenzierung findet man hier.

    Abb. 65: Aktivierte T-Zellen differenzieren sich zu T-Effektorzellen.

    Die Aktivierung von CD4-T-Zellen findet in der Regel zuerst statt. Diese Zellen fungieren als Dirigenten der Immunreaktion. Sobald sie aktiviert sind, helfen sie dabei, die Arbeit anderer Immunzellen zu koordinieren, einschließlich der CD8-T-Zellen. Sie tun dies, indem sie bestimmte Botenstoffe (Zytokine) freisetzen und zusätzliche (kostimulatorische) Signale senden, die die Aktivierung und Unterstützung anderer Zellen des Immunsystems ermöglichen.

    Insgesamt sorgen die Zytokine also dafür, dass die Immunantwort effektiver und gezielter abläuft, ähnlich wie ein Katalysator eine chemische Reaktion beschleunigt.

    Bei der Teilung entstehen tausende von T-Zellen, die alle denselben spezifischen T-Zell-Rezeptor tragen, der das Antigen erkennt.

    Abb. 66: Die aktivierte T-Helferzelle beginnt sich zu teilen. Auch zytotoxische T-Zellen und regulatorische T-Zellen durchlaufen nach ihrer Aktivierung eine Proliferation (Teilung).
     b) B-Zell-Aktivierung 

    B-Zellen können Antigene direkt aufnehmen, ohne auf dendritische Zellen angewiesen zu sein. Dennoch kann die Interaktion mit diesen Zellen wichtig für die Aktivierung der B-Zellen sein.

    Über ihren B-Zell-Rezeptor (BCR), der in vielen verschiedenen Varianten existiert und dadurch eine breite Erkennung von Antigenen ermöglicht, binden B-Zellen spezifische Antigene direkt aus ihrer Umgebung.

    Kleine Antigenmoleküle oder Partikel können direkt in die Lymphgefäße eindringen und mit der Lymphflüssigkeit zu den Lymphknoten transportiert werden, wo sie von B-Zellen aufgenommen werden. In diesem Fall befindet sich die B-Zelle bereits im Lymphknoten, wenn sie das Antigen aufnimmt und verarbeitet. Alternativ kann die B-Zelle auch außerhalb des Lymphknotens auf ein Antigen stoßen. In diesem Fall wandert sie nach der Antigenaufnahme zu den sekundären lymphatischen Organen wie den Lymphknoten.

    Abb. 67: Abgebildet sind mehrere B-Zellen in der B-Zell-Zone im Lymphknoten, jede mit einem einzigartigen B-Zell-Rezeptor (BCR) auf ihrer Oberfläche. Diese BCRs sind das Ergebnis der somatischen Rekombination. Jede B-Zelle kann nur ein spezifisches Antigen binden.

    Nach der Bindung nehmen die B-Zellen das „freie“ Antigen samt BCR durch Endozytose auf, einem Prozess, bei dem sich die Zellmembran einstülpt und den BCR zusammen mit dem Antigen in die Zelle aufnimmt. Dort wird das Antigen intern verarbeitet und anschließend auf MHC-II-Molekülen präsentiert.

    Abb. 68: Die naive B-Zelle präsentiert ihren B-Zell-Rezeptor (BCR), der wie ein membranständiger Antikörper aufgebaut ist. Der BCR bindet spezifisch an ein Antigen, das anschließend aufgenommen und verarbeitet wird und als Antigen-MHC-II-Komplex auf der Oberfläche der B-Zellen erscheint.

    B-Zellen besitzen die Fähigkeit, sowohl direkt Antigene aus der Umgebung zu binden als auch von dendritischen Zellen präsentierte Antigene zu erkennen. Während die direkte Bindung an das Antigen der häufigste Weg ist, können B-Zellen in seltenen Fällen auch aktiviert werden, indem sie mit antigenpräsentierenden Zellen (wie dendritischen Zellen oder Makrophagen) interagieren. In diesem Fall erkennt eine B-Zelle das gleiche Antigen, das auf dem MHC-II-Molekül einer APC präsentiert wird. Diese Bindung zwischen dem BCR der B-Zelle und dem präsentierten Antigen führt zu einer Signalübertragung, die die B-Zelle aktiviert. Die APC kann zudem kostimulatorische Moleküle exprimieren, die zusätzliche Signale liefern, die die Aktivierung der B-Zelle verstärken. Dennoch reicht die Aktivierung einer B-Zelle durch eine APC in der Regel nicht aus, um die B-Zelle vollständig zu aktivieren. Die zusätzliche Unterstützung von T-Helferzellen ist in den meisten Fällen erforderlich.

    Damit eine B-Zelle vollständig aktiviert wird, braucht sie in der Regel noch die Hilfe von T-Helferzellen. Dieser Prozess wird als T-Zell-abhängige B-Zell-Aktivierung bezeichnet.

    T-Zell-abhängige B-Zell-Aktivierung

    Bereits aktivierte T-Helferzellen wandern im Lymphknoten in die Grenzzone zwischen der T-Zell-Zone und der B-Zell-Zone, wo sie mit den B-Zellen interagieren.

    Abb. 69: In der B-Zell-Zone befinden sich B-Zellen in verschiedenen Aktivierungsstadien. Einige B-Zellen sind noch nicht aktiviert und haben weder Antigene aufgenommen noch MHC-II-Komplexe auf ihrer Oberfläche. Andere B-Zellen haben bereits Antigene über ihren B-Zell-Rezeptor (BCR) gebunden (1). Zudem gibt es B-Zellen, die das Antigen verarbeitet haben und es auf MHC-II-Molekülen präsentieren (2). Diese B-Zellen sind weiter aktiviert und interagieren mit T-Helferzellen (3). In der T-Zell-Zone sind naive T-Zellen (hellgrün) sichtbar, die noch kein Antigen erkannt haben. Einige aktivierte T-Helferzellen befinden sich noch in der T-Zell-Zone, während andere bereits in der Grenzzone mit B-Zellen interagieren (3).

    T-Helferzellen, die dasselbe Antigen erkannt haben, binden an den Antigen-MHC-II-Komplex auf der Oberfläche der B-Zellen. Diese Bindung liefert das erste Aktivierungssignal. Infolgedessen exprimieren T-Helferzellen kostimulatorische Moleküle (wie CD40L, die an den CD40-Rezeptor auf den B-Zellen binden). Dies liefert das zweite Signal für die vollständige Aktivierung der B-Zellen. Zusätzlich setzen T-Helferzellen auch Zytokine frei, die das Wachstum, die Differenzierung und die Funktion der B-Zellen fördern.

    Abb. 70: Die Interaktion mit T-Helferzellen aktiviert die B-Zellen vollständig. Die aktivierten B-Zellen proliferieren und differenzieren sich in Plasmazellen und Gedächtnis-B-Zellen.

    Dieser zweistufige Mechanismus – die Bindung an den Antigen-MHC-II-Komplex (erstes Signal) und die Interaktion mit kostimulatorischen Molekülen sowie die Freisetzung von Zytokinen (zweites Signal) – stellt eine wichtige Sicherheitskontrolle dar. Er sorgt dafür, dass eine Immunantwort nur dann ausgelöst wird, wenn sie wirklich notwendig ist. Eine alleinige Aktivierung der B-Zellen durch Antigenerkennung wäre weniger reguliert und könnte das Risiko unerwünschter Reaktionen erhöhen, wie etwa Autoimmunreaktionen.

    Nach der vollständigen Aktivierung beginnen die B-Zellen zu proliferieren und sich in zwei Haupttypen zu differenzieren: in Plasmazellen und Gedächtnis-B-Zellen.

    T-Zell-unabhängige B-Zell-Aktivierung

    Die T-Zell-unabhängige B-Zell-Aktivierung ist ein weniger häufig vorkommender Mechanismus, der bevorzugt bei bestimmten bakteriellen Infektionen auftritt. Bei dieser Art der Aktivierung erkennen B-Zellen Antigene, die in der Regel repetitive Strukturen (d.h. sich wiederholende Muster) aufweisen, wie die Polysaccharide auf der Oberfläche von Bakterien. Diese Antigene können die B-Zell-Rezeptoren (BCRs) auf den B-Zellen direkt kreuzvernetzen und so eine Aktivierung auslösen, ohne die Hilfe von T-Helferzellen zu benötigen.

    Während dieser Prozess schneller abläuft, führt er häufig zu einer weniger robusten und langlebigen Immunantwort im Vergleich zur T-Zell-abhängigen Aktivierung. Zudem entstehen hierbei meist keine Gedächtniszellen, was bedeutet, dass die Immunantwort bei einer erneuten Infektion mit demselben Pathogen nicht so stark und effizient ist.

    5.5.7. Effektorphase

    Während der Aktivierungsphase werden die Immunzellen auf den Erreger „vorbereitet“. In der Effektorphase treten diese aktivierten Immunzellen in Aktion, um den Erreger gezielt zu bekämpfen und zu beseitigen. In dieser Phase fungieren die Immunzellen als Effektoren, die spezifische Maßnahmen ergreifen, um die Infektion zu kontrollieren und zu eliminieren. Die meisten Effektor-T-Zellen verlassen den Lymphknoten, treten in die Blutbahn ein und wandern gezielt zur Infektionsstelle.

    a) T-Helferzellen
    b) Zytotoxische T-Zellen
    c) Plasmazellen
     a) T-Helferzellen 

    T-Helferzellen unterstützen an der Infektionsstelle andere Immunzellen wie Makrophagen, indem sie Zytokine ausschütten, die als Signalstoffe dienen. Diese Zytokine verstärken die Fähigkeit der Immunzellen, Mikroben durch Phagozytose zu beseitigen.

     b) Zytotoxische T-Zellen 

    Zytotoxische T-Zellen hingegen spüren infizierte oder entartete Körperzellen auf und zerstören sie, indem sie den programmierten Zelltod (Apoptose) auslösen.

    Zytotoxische T-Zellen (auch als CTLs oder CD8-T-Zellen bekannt) sind äußerst präzise in ihrer Wirkung. Sie erkennen spezifische Antigene, die in Verbindung mit MHC-I-Molekülen auf der Oberfläche infizierter oder abnormaler Zellen präsentiert werden.

    Abb. 71: Die zytotoxische T-Zelle erkennt die infizierte Zelle über ihren T-Zell-Rezeptor (TCR) und bindet gezielt an sie.

    Nach dieser Erkennung zerstören sie gezielt nur die Zellen, die das entsprechende Antigen tragen. Die Eliminierung der Zielzellen erfolgt hauptsächlich auf zwei Wegen:

    1) Tötung durch Perforine und Granzyme: Perforin bildet Poren in der Zellmembran der Zielzelle, was diese direkt schädigt und einen Kanal schafft, durch den Granzymen in die Zelle eindringen. Granzymen lösen in der Zielzelle den programmierten Zelltod (Apoptose) aus, was schließlich zur Zerstörung der Zelle führt.

    2) Tötung durch Fas-Ligand (FasL): Zytotoxische T-Zellen exprimieren ein Molekül namens Fas-Ligand (FasL), das an den Fas-Rezeptor auf der Oberfläche der Zielzelle bindet. Diese Bindung aktiviert eine Signalkaskade, die ebenfalls die Apoptose einleitet.

    Abb. 72: Eliminierung der Zielzellen erfolgt auf zwei Wegen:

    1) Nachdem die zytotoxische T-Zelle (CTL) an die Zielzelle gebunden hat, entleert sie spezielle Vesikel, sogenannte zytotoxische Granula, in den engen Kontaktbereich zwischen der CTL und der Zielzelle. Diese Granula enthalten Perforin und Granzymen. Perforin bildet Poren in der Zellmembran der Zielzelle, durch die Granzymen in das Zytoplasma eindringen. Dort lösen sie eine Reihe von Prozessen aus, die zur Zerstörung der Zell-DNA und zum Abbau von Zellproteinen führen, was einen geordneten Zelltod (Apoptose) ohne Entzündungsreaktionen bewirkt.
    2) Trifft die CTL auf eine Zielzelle mit dem Fas-Rezeptor auf der Oberfläche, bindet ihr Fas-Ligand (FasL) direkt an diesen Rezeptor, ähnlich einem Schlüssel, der in ein Schloss passt. Diese Bindung aktiviert eine Signalkaskade in der Zielzelle, die zur Apoptose führt. Durch diese Signalkaskade beginnt die Zielzelle, sich selbst abzubauen und stirbt schließlich ab.

    Zytotoxische T-Zellen agieren ähnlich wie Natürliche Killerzellen (NK-Zellen), jedoch mit einem entscheidenden Unterschied: Sie zerstören die Zielzellen kontrolliert und präzise, wodurch die umliegenden Gewebe weitgehend geschont werden.

    Abb. 73: Nachdem die Zielzelle durch die Apoptose zerstört wurde, bleibt sie als eine Ansammlung von Zelltrümmern zurück. Diese Überreste werden von Phagozyten wie Makrophagen erkannt und aufgenommen.

    Diese Videos hier und hier veranschaulichen sehr gut, wie zytotoxische T-Killerzellen arbeiten.

     c) Plasmazellen 

    Nachdem B-Zellen aktiviert wurden, beginnen sie sich rasch zu teilen und in Plasmazellen zu differenzieren, die darauf spezialisiert sind, große Mengen spezifischer Antikörper zu produzieren und freizusetzen. Um diesen komplexen Ablauf besser zu verstehen, schauen wir uns alles Schritt für Schritt an.

    Die aktivierten B-Zellen teilen sich extrem schnell und oft, sodass aus wenigen initialen Zellen in kurzer Zeit tausende von identischen B-Zellen entstehen. Das ermöglicht dem Immunsystem, innerhalb weniger Tage eine große Anzahl an B-Zellen zu produzieren, die alle den passenden BCR tragen und sich entweder zu Plasmazellen differenzieren, um Antikörper zu produzieren, oder zu Gedächtniszellen werden.

    Abb. 74: Proliferation (Teilung) der aktivierten B-Zelle

    Besonders faszinierend ist die Tatsache, dass der B-Zell-Rezeptor (BCR), der auf der Oberfläche jeder B-Zelle sitzt, bereits die Vorlage für den späteren Antikörper ist. Anders gesagt: Der BCR ist eine „Vorschau“ auf den Antikörper, den die Zelle nach ihrer Aktivierung massenhaft ausschütten wird.

    Nochmal hervorzuheben dabei ist das wahre Meisterwerk der Natur: die Art und Weise, wie diese BCRs entstehen. Bereits während der Entwicklung der B-Zelle werden die Gensegmente, die den B-Zell-Rezeptor und somit den späteren Antikörper bilden, völlig zufällig miteinander kombiniert. Das Ergebnis der somatische Rekombination ist eine unfassbare Vielfalt an Antigenbindungsstellen – mit bis zu 10 Milliarden möglichen Varianten.

    Die somatische Rekombination haben wir schon bei den T-Zell-Rezeptoren (TCR) kennengelernt. Wie bei den T-Zellen sorgt auch hier das zufällige Mischen von Genen dafür, dass eine große Vielfalt an Rezeptoren entsteht. Auf diese Weise stellt die Natur sicher, dass für nahezu jeden erdenklichen Eindringling bereits eine passende Immunzelle mit einem passenden Rezeptor zur Verfügung steht. Es ist, als würde das Immunsystem einen gigantischen Vorrat an „Schlüsseln“ (Antikörpern) bereithalten, von denen nahezu jeder zu einem neuen „Schloss“ (Antigen) passt, dem der Körper begegnet. Der entscheidende Unterschied ist jedoch, dass B-Zellen nicht nur Antigene erkennen, sondern auch die passenden Antikörper gegen sie freisetzen.

     III – Dritte Verteidigungslinie: die Antikörper 

    Diese B-Zell-Rezeptoren (BCRs), die noch fest an der Zellmembran gebunden sind, werden auch als membrangebundene Antikörper oder Immunglobuline (Ig) bezeichnet. Sobald sich die B-Zelle in eine Plasmazelle verwandelt, wird der BCR in seiner löslichen Form freigesetzt – als voll funktionstüchtiger Antikörper.

    Plasmazellen – die Antikörper-Fabriken Plasmazellen sind entscheidend für die Immunabwehr, da sie dem Immunsystem in großer Menge spezifische Antikörper bereitstellen. Jede Plasmazelle kann dabei bis zu 10.000 Antikörper pro Minute produzieren.

    Abb. 75: LINKS: B-Zelle mit B-Zell-Rezeptoren (BCR), die fest in der Zellmembran verankert sind. Diese BCRs sind die Vorläufer der späteren Antikörper. Die aktivierte B-Zelle entwickelt sich zur Plasmazelle. RECHTS: Sobald B-Zellen zu Plasmazellen geworden sind, besteht ihre Hauptaufgabe in der Massenproduktion spezifischer Antikörper, wobei ihre DNA nicht mehr verändert wird. Die Plasmazelle produziert lösliche Antikörper und verliert ihre membrangebundenen BCRs. Die produzierten Antikörper werden in kleinen Vesikeln aus der Zelle transportiert.
    Detaillierte Darstellung der Antikörperproduktion

    In diesem Abschnitt werden wir die Antikörperproduktion genauer betrachten. Dies ist eine gute Gelegenheit, unser Wissen aus den vorherigen Kapiteln zur Proteinherstellung auf die Antikörperproduktion anzuwenden.

    Aktivierung der B-Zellen
    Der Prozess beginnt, wenn eine B-Zelle durch ein spezifisches Antigen aktiviert wird. B-Zellen tragen auf ihrer Oberfläche B-Zell-Rezeptoren (BCRs), die Antigene binden (wie beispielsweise Teile eines Virus oder Bakteriums). Die Bindung löst ein Signal in der B-Zelle aus, das zur Aktivierung führt. Für eine vollständige Aktivierung sind jedoch in der Regel zusätzliche Signale (Zytokine) erforderlich, die von T-Helferzellen bereitgestellt werden.

    Umwandlung in Plasmazellen
    Nach der Aktivierung beginnen B-Zellen sich zu teilen (Proliferation). Ein Teil dieser Zellen differenziert sich zu Plasmazellen, die auf die Antikörperproduktion spezialisiert sind. Die Zelle verändert sich sowohl morphologisch als auch biochemisch, um ihre Funktion als „Antikörperfabrik“ zu erfüllen. Dabei vergrößert sich vor allem das raue endoplasmatische Retikulum (ER) stark, da es für die Synthese der Antikörper entscheidend ist.

    Synthese der Antikörper
    Der Bauplan für die Antikörper ist in der DNA der Plasmazelle gespeichert. Der Prozess der Antikörperproduktion erfolgt in mehreren Schritten:

    Transkription und Translation
    Die genetische Information für die Antikörper wird im Zellkern von der DNA in mRNA umgeschrieben (Transkription). Diese mRNA wird dann ins raue endoplasmatische Retikulum (ER) transportiert, wo die Synthese (Translation) der Antikörper erfolgt. In den Ribosomen des ER werden die Immunglobuline (Antikörper) zusammengesetzt. Im ER falten sich die Antikörper auch zu ihrer funktionalen, dreidimensionalen Struktur. Nur korrekt gefaltete Antikörper können spezifisch an Antigene binden.

    Ein Antikörper besteht aus zwei schweren und zwei leichten Ketten, die zusammen eine Y-Form bilden. Diese Ketten werden durch spezifische Gene kodiert. Die Bindungsstellen (variable Regionen) der Antikörper sind aufgrund der somatischen Rekombination, die während der B-Zell-Entwicklung stattfindet, einzigartig und passen spezifisch zu dem Antigen, das die B-Zelle aktiviert hat. Diese Antikörper sind eine lösliche Version der BCRs.

    Sekretion der Antikörper
    Nach der Synthese werden die korrekt gefalteten Antikörper zum Golgi-Apparat transportiert, wo sie modifiziert und verpackt werden. In Vesikeln verpackt, wandern sie zur Zellmembran, wo die Vesikel mit der Membran verschmelzen und die Antikörper in den extrazellulären Raum abgegeben werden (Sekretion).

    Plasmazellen sind extrem effizient und können Tausende von Antikörpern pro Sekunde produzieren und freisetzen. Diese Antikörper gelangen über das Blut oder die Lymphe zu den Infektionsstellen im Körper.

    Plasmazellen können sich entweder im Lymphknoten ansiedeln, von wo aus sie Antikörper in die Lymphe und das Blut freisetzen, oder sie wandern ins Knochenmark, wo sie langfristig Antikörper produzieren, die ebenfalls von dort in die Blutgefäße gelangen. Manche Plasmazellen verbleiben auch in anderen Geweben, wie der Milz oder den Schleimhäuten.

    5.5.8. Arten von Antikörpern

    Jeder Antikörper setzt sich aus einer variablen und einer konstanten Region zusammen. Die variable Region, die durch somatische Rekombination entsteht, ist für die hochspezifische Erkennung von Antigenen verantwortlich.

    Die konstante Region des Antikörpers bleibt unverändert und bestimmt die Klasse des Antikörpers. Man unterscheidet fünf Klassen (Isotype) von Immunglobulinen:  M, G, A, D, E und bezeichnet sie mit den Kürzeln IgM, IgG, IgA, IgD, IgE.

    Abb. 76: Arten von Antikörpern

    Antikörper bestehen aus einer variablen und einer konstanten Region. Sie werden in zwei Fragmente unterteilt: den Fab-Bereich und den Fc-Bereich. Der Fab-Bereich umfasst die „Arme“ der Y-förmigen Struktur und ist für die Bindung an spezifische Antigene zuständig. Jeder Antikörper besitzt zwei Fab-Regionen, die jeweils eine variable Region enthalten, welche die Antigenbindungsstelle bildet. Der Fc-Bereich ist der „Stamm“ des Antikörpers und vermittelt Effektor-Funktionen des Immunsystems, indem er von Immunzellen wie Makrophagen und NK-Zellen sowie von Komplementproteinen erkannt und gebunden wird.

    Während der Immunantwort werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten verschiedene Antikörperklassen produziert:

    Primäre Immunantwort

    IgM: Dies ist der erste Antikörper, der während einer primären Immunantwort produziert wird. IgM-Antikörper erscheinen schnell nach der ersten Exposition (Begegnung) gegenüber einem Antigen und sind besonders wirksam bei der Aktivierung des Komplementsystems.

    IgG: Obwohl IgM der erste Antikörper ist, wird auch IgG bereits bei der ersten Exposition produziert, jedoch etwas später. IgG hat eine höhere Affinität zum Antigen und zirkulieren über einen längeren Zeitraum im Blut, was einen länger anhaltenden Schutz bietet.

    Sekundäre Immunantwort

    IgG: Bei einer erneuten Exposition gegenüber demselben Antigen wird IgG viel schneller und in größerer Menge produziert als bei der primären Immunantwort. Es bietet dadurch einen effektiveren und schnelleren Schutz. IgG kann außerdem die Plazenta passieren und dem Fötus passiven Schutz bieten.

    Spezifische Funktionen

    IgA: Diese Antikörper kommen hauptsächlich in Schleimhäuten und Körperflüssigkeiten wie Speichel, Tränen und Muttermilch vor. Sie spielen eine zentrale Rolle beim Schutz der Schleimhäute vor Infektionen.

    IgE: IgE ist hauptsächlich an allergischen Reaktionen beteiligt und spielt eine Rolle bei der Abwehr von Parasiten.

    IgD: Die Funktion von IgD ist noch nicht vollständig geklärt, aber es wird vermutet, dass es bei der Aktivierung und Reifung von B-Zellen eine Rolle spielt.

    Durch das Messen und Analysieren dieser Antikörperklassen kann man Rückschlüsse auf den Immunstatus, den Infektionszeitpunkt und die Art der Immunreaktion ziehen, was in der klinischen Diagnostik von großer Bedeutung ist.

    a) IgM - der erste Antikörper
    b) Klassenwechsel (Isotypenswitch) zu IgG
    c) IgA - die Schutzbarriere der Schleimhäute
    d) Schleimhautimmunität: Warum IgG dafür ungeeignet ist
    a)  IgM – der erste Antikörper 

    IgM ist der erste Antikörper, den Plasmazellen als Reaktion auf eine Erstinfektion produzieren. Das liegt daran, dass B-Zellen bereits die genetische Information zur Herstellung von IgM besitzen, die sie über ihren B-Zell-Rezeptor (BCR) nutzen.

    IgM-Antikörper kommen als Pentamer vor, was bedeutet, dass sie aus fünf einzelnen Antikörper-Einheiten bestehen, die zusammen ein großes, ringförmiges Molekül bilden.

    Diese Struktur ermöglicht es IgM, bis zu zehn Bindungsstellen für Antigene zu haben (jeweils zwei pro Einheits-Antikörper), was eine besonders effektive Bindung an mehrere Antigenmoleküle gleichzeitig ermöglicht.

    Hier sind einige Gründe für diese Struktur von IgM:

    Erhöhte Bindungsfähigkeit: Durch ihre pentamere Struktur können IgM-Antikörper mehrere Antigene gleichzeitig binden. Dies erhöht ihre Fähigkeit, große Antigenmengen zu erfassen und zu neutralisieren.

    Effektive Komplementaktivierung: Die große Anzahl von Bindungsstellen auf IgM ermöglicht eine besonders effiziente Aktivierung des Komplementsystems. IgM kann durch die Bindung an Antigene und die darauffolgende Bindung an Komplementproteine eine starke immunologische Reaktion auslösen.

    Allerdings neigen IgM-Antikörper dazu, nicht sehr stark am Krankheitserreger zu haften und abzufallen. Daher bieten sie anfänglich noch nicht den optimalen Schutz. IgM kann jedoch schnell und in großen Mengen produziert werden, es ist sozusagen der „erste Wurf“ der Antikörperproduktion. IgM-Antikörper kommen vor allem im Blut vor.

    b)  Klassenwechsel (Isotypenswitch) zu IgG 

    Nachdem das Immunsystem bei einer Infektion anfänglich IgM-Antikörper produziert hat, stellt es später auf die Produktion von IgG-Antikörper um. Diese Umstellung wird als Klassenwechsel oder Isotypenswitch bezeichnet. Der Grund dafür ist, dass IgG-Antikörper für eine gezieltere und länger anhaltende Abwehr besser geeignet sind.

    Während einer Infektion werden fortlaufend B-Zellen aktiviert, die zuvor durch Proliferation entstanden sind. Der Wechsel von IgM zu IgG wird durch Signale von T-Helferzellen angestoßen. Diese senden Zytokine (spezielle Botenstoffe) an die B-Zellen. Diese Signale geben den B-Zellen das „Okay“, die Produktion von IgG-Antikörpern aufzunehmen, die effizienter im Kampf gegen den Erreger sind.

    IgG-Antikörper sind in vielerlei Hinsicht besser als IgM:

    Größere Affinität: Im Verlauf der Immunantwort durchlaufen die B-Zellen einen Prozess, der als Affinitätsreifung bezeichnet wird. Dabei werden die Antikörper immer besser darin, das Antigen fest zu binden. Diese verbesserten IgG-Antikörper binden nicht nur stärker und spezifischer an das Antigen, sondern neutralisieren den Erreger auch effektiver.

    Die Affinitätsreifung ist eine DNA-„Verbesserung“ im Laufe der Infektion. Während der Immunantwort werden die B-Zellen von den T-Helferzellen auch dazu angeregt, ihre Antigenbindungsstellen (variable Regionen der BCR) zu verbessern. Dies geschieht durch einen Prozess, der als somatische Hypermutation bekannt ist. Dabei treten gezielte Mutationen in der DNA der B-Zellen auf, die die Bindungsstellen ihrer Antikörper weiter optimieren. B-Zellen mit besonders gut passenden Antikörpern (hohe Affinität) werden bevorzugt.

    Kleiner und flexibler: IgG-Moleküle sind kleiner und beweglicher als IgM. Dadurch können sie leichter durch das Gewebe dringen und auch in schwer zugängliche Bereiche gelangen, wo die Infektion möglicherweise stattfindet.

    Abb. 77: In der ersten Phase produziert die Plasmazelle IgM-Antikörper, die schnell, aber mit relativ geringer Bindungsstärke (Affinität) gegen das Antigen wirken. Durch den Isotypenswitch stellt die B-Zelle später auf die Produktion von IgG-Antikörper um. Diese sind kleiner, kommen auch in schwer zugängliche Bereich und sind somit effizienter. Der „variable“ Teil des Antikörpers, der das spezifische Antigen erkennt, bleibt im Wesentlichen erhalten, aber er kann durch Affinitätsreifung so modifiziert werden, dass die Bindung an das Antigen stärker wird. Dadurch wird die Immunantwort weiter optimiert, um effektiver gegen den Erreger vorzugehen.

    Längere Halbwertszeit: IgG bleibt länger im Blutkreislauf und bietet so einen längerfristigen Schutz vor dem Erreger.

    Plazenta-Passage: IgG kann die Plazenta passieren und dem Fötus während der Schwangerschaft passiven Schutz bieten, wodurch das Neugeborene in den ersten Lebensmonaten besser vor Infektionen geschützt ist.

    Immunologisches Gedächtnis: IgG-Antikörper spielen eine Schlüsselrolle im immunologischen Gedächtnis. Nach einer Infektion werden spezielle Gedächtniszellen gebildet, die bei einer erneuten Exposition gegenüber demselben Erreger schnell große Mengen an IgG-Antikörpern produzieren können. Dadurch reagiert das Immunsystem bei einer Zweitinfektion viel schneller und effektiver.

    Grafische Zusammenfassung

    Abb. 78: IgM- und IgG-Antikörper-Level über die Zeit

    IgM-Antikörper werden in den frühen Stadien einer Infektion gebildet und sind bereits vier bis sieben Tage nach der Infektion nachweisbar. IgG-Antikörper hingegen entstehen etwa sieben bis vierzehn Tage nach der Infektion und können, abhängig vom Antigen und der individuellen Immunantwort, über Monate oder sogar Jahre hinweg nachgewiesen werden. Während IgM-Antikörper kurzlebig sind und oft auf eine akute Infektion hinweisen, sind IgG-Antikörper langlebiger und spielen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung einer dauerhaften Immunität.

    Detaillierte Informationen zu diesen Prozessen findest du in den folgenden Quellen:
    „Antibodies & the B cell Receptor”,
    „B cells & Plasma Cells“ und
    „Antikörper – Abwehrmechanismen der B-Zellen“.

    IgG-Antikörper sind die am häufigsten vorkommende Antikörperklasse im Blut und in anderen Körperflüssigkeiten. Sie finden sich in großer Zahl im Blutkreislauf sowie in Geweben und Organen und sind entscheidend für die Immunantwort gegen Infektionen, die bereits in den inneren Bereichen des Körpers lokalisiert sind. Im Gegensatz dazu übernehmen IgA-Antikörper eine spezialisierte Funktion, indem sie als Schutzbarriere der Schleimhäute fungieren. Entsprechend unterscheidet man zwischen dem systemischen Immunsystem, das den gesamten Körper schützt, und dem mukosalen Immunsystem, das speziell die Schleimhäute verteidigt.

    c)  IgA – die Schutzbarriere der Schleimhäute 

    Während IgG sich auf die Bekämpfung von Krankheitserregern im Inneren des Körpers konzentriert, schützen IgA-Antikörper die äußeren Schleimhäute, die den Übergang von außen nach innen markieren. Sie sind die Hauptakteure der Schleimhaut-Immunität und dafür zuständig, den Körper an Schleimhautoberflächen (wie im Verdauungstrakt, den Atemwegen oder dem Urogenitaltrakt) vor eindringenden Pathogenen zu schützen. IgA Antikörper befinden sich auch in Körperflüssigkeiten wie Speichel und Tränen.

    Schleimhäute bilden eine kritische Barriere zwischen unserem Inneren und der äußeren Umgebung. In diesem Kontext ist es interessant zu betrachten, dass aus biologischer Sicht alles, was sich in unserem Verdauungstrakt befindet, als außerhalb unseres Körpers betrachtet wird. Vom Mund bis zum After verläuft ein kontinuierlich mit Schleimhaut ausgekleideter Hohlraum – eine „Verdauungshöhle“, in die wir Nahrung aufnehmen und in der Verdauungsenzyme sowie Verdauungssäfte abgegeben werden. Obwohl diese Höhle innerhalb des Körpers liegt, wird ihr Inhalt biologisch als Außengebiet angesehen.

    Abb. 79: Organe und Körperregionen, die von mucosalem Gewebe ausgekleidet sind

    Da Schleimhäute im ständigen Kontakt mit der Außenwelt stehen, ist der Schutz durch IgA besonders wichtig.

    Die Immunantwort auf Erreger, die über die Schleimhäute in den Körper gelangen, verläuft ähnlich wie bei Erregern, die direkt in den Körper eindringen. Der folgende Ablauf beschreibt die Reaktion des Immunsystems auf einen Virus, der über die Schleimhaut in den Körper gelangt. Durch die bisherigen Erläuterungen kannst du dir den Ablauf schon sehr gut vorstellen.

    Erster Kontakt mit dem Virus – Angeborene Immunabwehr:
    Wenn ein Virus über die Schleimhaut im Mund in den Körper eindringt, reagieren dort sofort Immunzellen wie Makrophagen, dendritische Zellen und andere Abwehrzellen. Diese lösen Alarm aus und rufen weitere Immunzellen zum Infektionsort. Dendritische Zellen und Makrophagen erkennen den Virus über ihre Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) und nehmen ihn durch Phagozytose auf. Anschließend verarbeiten sie den Virus und präsentieren Virusfragmente (Antigene) auf MHC-II-Komplexen auf ihrer Oberfläche. Danach wandern sie über die Lymphgefäße zum nächstgelegenen Lymphknoten, zum Beispiel im Halsbereich, wo sie die Antigene den T-Helferzellen präsentieren.

    Aktivierung der T-Helferzellen – Adaptive Immunabwehr:
    Im Lymphknoten erkennen naive T-Zellen das präsentierte Virus-Antigen auf den MHC-II-Molekülen der dendritischen Zellen. Diese Interaktion aktiviert die T-Zellen, sie differenzieren sich, unter anderem zu T-Helferzellen, die die Immunantwort gezielt verstärken.

    Aktivierung der B-Zellen – Adaptive Immunabwehr:
    Aktivierte T-Helferzellen interagieren mit B-Zellen, die das Virus-Antigen aufgenommen und über MHC-II-Moleküle präsentiert haben. T-Helferzellen binden mit ihrem T-Zell-Rezeptor (TCR) an den MHC-II-Komplex der B-Zellen und senden über kostimulatorische Moleküle (wie CD40L) das Aktivierungssignal an die B-Zellen. Dieses Signal führt dazu, dass die B-Zellen sich zu Plasmazellen differenzieren, die große Mengen an Antikörpern produzieren. Zu Beginn der Immunantwort stellen sie hauptsächlich IgM her, da dies die erste Antikörperklasse ist, die vom Immunsystem gebildet wird.

    Klassenwechsel (Isotyp-Switch) zu IgA:
    Im weiteren Verlauf der Immunantwort, wenn der Körper die Infektion bekämpft, geben aktivierte T-Helferzellen spezielle Signale (Zytokine) ab. Diese Signale unterstützen die B-Zellen dabei, die Art der produzierten Antikörper anzupassen. Ein wichtiges Signal, TGF-β, führt dazu, dass die B-Zellen den Klassenwechsel durchführen und beginnen, IgA-Antikörper zu produzieren. Dieser Wechsel ist vor allem in der Nähe von Schleimhäuten entscheidend, da IgA eine wichtige Rolle bei der Schleimhautimmunität spielt. Nach dem Klassenwechsel differenzieren sich die B-Zellen weiterhin zu Plasmazellen, die dann IgA statt IgM produzieren.

    Abb. 80: Klassenwechsel von IgM zu IgA

    In der ersten Phase produziert die Plasmazelle IgM-Antikörper. Durch den Isotypenswitch stellt die B-Zelle später auf die Produktion von IgA-Antikörper um. Auch IgA-Antikörper durchlaufen eine Affinitätsreifung, um ihre Bindungsstärke zu Antigenen zu optimieren, bevor sie in die Schleimhäute transportiert werden. Plasmazellen können sowohl IgA-Monomere als auch IgA-Dimere produzieren, abhängig davon, wo sie sich befinden und welche spezifische Immunantwort benötigt wird. IgA-Monomere werden hauptsächlich in systemischen Bereichen produziert, also im Blut und in Geweben, die nicht mit Schleimhäuten verbunden sind. Mucosale Plasmazellen in den Schleimhäuten werden durch Signale aus ihrer Umgebung darauf „programmiert“, dimeres IgA zu produzieren. Diese Umgebung fördert die Produktion der J-Kette, die zur Dimerisierung von IgA führt.

    Sekretion von IgA an Schleimhäuten:
    Die aktivierten Plasmazellen, die sich in den Schleimhäuten ansiedeln, produzieren und sekretieren sekretorisches IgA (sIgA). sIgA wird über ein spezielles Transportsystem in das Lumen der Schleimhäute (den Raum, der von der Schleimhaut umgeben ist), zum Beispiel in den Mundraum, abgegeben. Dort kann es das Virus neutralisieren, indem es sich an das Virus bindet und dessen Eindringen in die Schleimhautzellen verhindert.

    Durch diese neutralisierende Wirkung des IgA wird der Virus unschädlich gemacht, bevor er tiefer in den Körper eindringen und weiteren Schaden anrichten kann.

    Neben der Produktion von sekretorischem IgA (sIgA) an den Schleimhäuten wird auch IgG produziert. IgG sorgt für einen systemischen Immunschutz und ist bedeutend, wenn Pathogene wie Viren die Schleimhautbarriere überwinden und in das Gewebe oder den Blutkreislauf eindringen. Beide Antikörper, IgA und IgG, arbeiten also komplementär, um eine umfassende Abwehr zu gewährleisten.

    Struktur des IgA

    In den Schleimhäuten, wie im Verdauungstrakt, den Atemwegen und dem Urogenitaltrakt, liegt IgA überwiegend in dimerer Form vor. Diese Struktur ist speziell an die Umgebung der Schleimhäute angepasst, die durch ständigen Kontakt mit Mikroorganismen, Enzymen und potenziell schädlichen Substanzen gekennzeichnet ist. In dieser rauen Umgebung benötigen Antikörper zusätzlichen Schutz und Stabilität. Das dimere IgA wird von Plasmazellen in mucosalen Lymphgeweben produziert. Von dort wird das IgA durch die Epithelzellen der Schleimhäute in die äußeren Bereiche der Schleimhäute transportiert. Während dieses Transports wird es mit einem sekretorischen Stück (pIgR) ausgestattet (siehe untere Abbildung), das ihm zusätzliche Stabilität verleiht und es vor enzymatischem Abbau schützt. Dadurch bleibt das dimere IgA in der Schleimhautumgebung funktionsfähig und kann seine Schutzfunktion erfüllen.

    Abb. 81: Transport und Sekretion von IgA: Vom dimeren IgA zum sekretorischen IgA (sIgA)

    1) Das dimerisierte IgA, das von den Plasmazellen in der Lamina propria (unter der Schleimhaut) produziert wurde, bindet an den Poly-Ig-Rezeptor (pIgR), der sich auf der basolateralen Oberfläche der Epithelzellen (unterhalb der Epithelzelle) befindet. Der Poly-Ig-Rezeptor ist speziell dafür geeignet, an polymerisierte Immunglobuline (wie dimeres IgA oder pentameres IgM) zu binden, die eine J-Kette besitzen. 2) Der Poly-Ig-Rezeptor mit dem daran gebundenen IgA-Dimer wird dann durch die Epithelzelle transportiert (Transzytose), also von der basolateralen Seite (unterhalb der Epithelzelle) zur apikalen Seite (der Seite, die zur Schleimhaut zeigt). 3) Sobald das IgA-Dimer die apikale Oberfläche der Epithelzelle erreicht, wird ein Teil des Poly-Ig-Rezeptors abgespalten und bleibt als sekretorische Komponente (das sekretorische Stück) fest mit dem IgA-Dimer verbunden. Durch diese Bindung wird das dimerisierte IgA zu sekretorischem IgA (sIgA). Diese Abspaltung geschieht vor der Freisetzung in die Schleimschicht. 4) Das jetzt vollständig gebildete sIgA wird schließlich in die Schleimschicht abgegeben, wo es seine Schutzfunktion ausübt, indem es Mikroorganismen bindet und neutralisiert.

    Das dimere IgA bietet auf der Oberfläche der Schleimhäute einen besonders effizienten Schutz, da es durch die Dimerstruktur eine bessere Bindung an Pathogene und die Schleimhautschicht ermöglicht. Es kann mehrere Antigen-Bindungsstellen bereitstellen, was die Neutralisation von Krankheitserregern erleichtert und deren Anhaftung an die Epithelzellen verhindert.

    In geringen Mengen kommt IgA auch im Blutkreislauf vor, allerdings überwiegend in monomerer Form. Als Monomer ist IgA kleiner und kann daher leichter durch den Blutstrom zirkulieren. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion auf Pathogene oder Antigene, bevor diese sich im Körper verbreiten. Im Blut erfüllt das monomere IgA somit eine Funktion als „frühe Abwehr“, indem es direkt an Krankheitserreger binden kann.

    d)  Schleimhautimmunität: Warum IgG dafür ungeeignet ist 

    In der Schleimschicht, die die Schleimhäute auskleidet, sind vor allem die Antikörper IgA und in geringerem Maße IgM entscheidend für die Immunabwehr, während IgG in der Regel hier nicht vorkommt. Der Grund liegt in der besonderen Struktur und Funktion der Immunglobuline sowie im Mechanismus des Transports durch die Epithelzellen.

    IgA, insbesondere in seiner dimeren Form, ist speziell für den Schutz der Schleimhäute angepasst.

    Es wird von den Plasmazellen in der Lamina propria unter der Schleimhaut produziert und über den Poly-Ig-Rezeptor (pIgR) auf den Epithelzellen an die Schleimhautoberfläche transportiert. Dabei bindet der pIgR spezifisch an die J-Kette des dimeren IgA, was ermöglicht, dass dieses Antikörpermolekül sicher durch die Epithelzelle geschleust wird. Bei diesem Transportprozess wird ein Teil des pIgR als sekretorische Komponente an das IgA gebunden, wodurch es zu sekretorischem IgA (sIgA) wird. Diese sekretorische Komponente schützt das IgA vor enzymatischem Abbau in der aggressiven Umgebung der Schleimhäute und ermöglicht so eine stabile Immunabwehr.

    Im Gegensatz dazu kommt IgG, das nur als Monomer existiert, in den Schleimhäuten nicht vor.

    IgG hat keine J-Kette und kann daher nicht an den Poly-Ig-Rezeptor binden. Es fehlt IgG somit die Fähigkeit, über diesen Mechanismus in die Schleimschicht transportiert zu werden. IgG zirkuliert hauptsächlich im Blut und Gewebe, wo es systemische Abwehrfunktionen übernimmt, während die mucosale Immunabwehr auf sIgA angewiesen ist. Auch IgM, das als Pentamer mit einer J-Kette vorliegt, kann in geringen Mengen durch den pIgR in die Schleimschicht transportiert werden. Aufgrund seiner Struktur ist es ebenfalls gut für den Schutz in den Schleimhäuten geeignet. Dennoch bleibt sIgA der wichtigste Antikörper in der Schleimschicht, der gezielt Pathogene wie Viren neutralisiert und deren Eindringen in den Körper verhindert.

    5.5.9. Die Wirkungsphase der Antikörper

    Nachdem die IgG-Antikörper ins Blut gelangt sind, können sie nahezu jeden Bereich des Körpers erreichen, einschließlich der Lymphknoten und der Orte, an denen Infektionen auftreten. IgA-Antikörper hingegen entfalten ihre schützende Wirkung hauptsächlich an den Schleimhäuten, wo sie lokal produziert und direkt in die Schleimschicht abgegeben werden.

    Die Antikörper wirken auf verschiedene Weisen, um den Körper vor Infektionen zu schützen:

    Erkennung und Bindung: Antikörper erkennen spezielle Strukturen auf der Oberfläche von Krankheitserregern, die sogenannten Antigene, und binden sich daran. Dabei entstehen Antigen-Antikörper-Komplexe (Immunkomplexe IC). Dies ist der erste Schritt, um den Erreger unschädlich zu machen.

    Neutralisation: Durch die Bindung an die Antigene blockieren die Antikörper die gefährlichen Teile von Toxinen und Krankheitserregern, sodass diese den Körper nicht weiter schädigen können.

    Abb. 82: Neutralisation eines Virus durch Antikörper

    1) Das Virus bindet spezifisch an den ACE2-Rezeptor, ein Protein, das auf der Oberfläche vieler Zellen, besonders in der Lunge, vorkommt. Diese Bindung ist der erste Schritt der Infektion, der dem Virus den Zugang zur Zelle ermöglicht. 2) Nach der Bindung an den ACE2-Rezeptor wird das Virus durch rezeptorvermittelte Endozytose in die Zelle aufgenommen. Dieser Prozess führt zur Bildung eines Endosoms, das das Viruspartikel in die Zelle hinein transportiert. 3) Das Virus hat die Zellmembran durch Endozytose erfolgreich durchdrungen und befindet sich nun im Inneren der Zelle. Hier beginnt das Virus, die zellulären Mechanismen zu nutzen, um sich zu replizieren und die Zelle zu infizieren. 4) Antikörper erkennen und binden spezifisch an das Virus, was dessen Neutralisation bewirkt. Diese Bindung verhindert, dass das Virus an weitere Zellen andockt und diese infiziert, und markiert das Virus für die Zerstörung durch das Immunsystem.

    Abb. 83: Neutralisation einer Bakterie durch Antikörper

    1) Bakterien heften sich mithilfe von Adhäsinen an die Zelloberfläche und beginnen die Besiedelung. 2) Einige Bakterien werden von den Zellen aufgenommen und vermehren sich in speziellen Vesikeln im Zellinneren. 3) Antikörper binden an die Adhäsine der Bakterien und verhindern so deren Anhaftung und Aufnahme in die Zellen.

    Markierung für Immunzellen: Antikörper können Krankheitserreger markieren, sodass bestimmte Immunzellen, wie Fresszellen, sie leichter erkennen und zerstören können. Dieser Prozess wird Opsonierung genannt.

    Abb. 84: Markierung für Immunzellen

    Die Makrophage erkennt den Immunkomplex (IC) durch spezialisierte Rezeptoren auf ihrer Oberfläche, die an die konstante Region der angehängten Antikörper binden. Sobald der Immunkomplex erkannt ist, verschlingt die Makrophage den gesamten Erreger und bildet ein Phagosom. Dieses Phagosom verschmilzt dann mit Lysosomen, die spezielle Verdauungsenzyme enthalten. In dem so entstandenen Phagolysosom werden sowohl der Erreger als auch die gebundenen Antikörper durch diese Enzyme abgebaut. Die abgebauten Proteine werden in kleinere Bestandteile zerlegt, die dann entweder von der Zelle wiederverwendet oder als Abfall ausgeschieden werden.

    Aktivierung des Komplementsystems: Die Bindung der Antikörper kann auch eine Kaskade von Reaktionen auslösen, die als Komplementsystem bekannt ist (wie in Kapitel 5.4. ‚Das Komplementsystem‘ beschrieben). Diese Kette von Reaktionen führt zur Zerstörung der markierten Krankheitserreger.

    Abb. 85: Aktivierung des Komplementsystems

    1) Das Komplementprotein C1 bindet an die Antikörper auf der Bakterienoberfläche und startet die Abwehrreaktion. (Im klassischen Weg der Komplementaktivierung durch Antikörper müssen in der Regel mindestens zwei Antikörpermoleküle an das Antigen binden. Diese Bindung bringt die konstanten Regionen der Antikörper näher zusammen, was für die effiziente Bindung des ersten Komplementproteins (C1) notwendig ist.) 2) Komplementproteine formen den Membranangriffskomplex (MAK), der Löcher in die Zellmembran des Bakteriums bohrt. 3) Durch die entstandenen Poren verliert das Bakterium seine Stabilität und löst sich auf (Lyse).

    Zellzerstörung durch das Immunsystem: In einigen Fällen binden Antikörper an infizierte Zellen oder Krebszellen und markieren sie für spezielle Immunzellen, wie z. B. natürliche Killerzellen (NK-Zellen). Diese Immunzellen erkennen die markierten Zellen und zerstören sie gezielt. Dieser Vorgang wird als ADCC (antikörperabhängige zelluläre Zytotoxizität) bezeichnet.

    Abb. 86: Antikörperabhängige zelluläre Zytotoxizität

    1) Eine NK-Zelle bindet an einen Antikörper, der an den Antigen-MHC-I-Komplex einer infizierten Zelle geheftet ist, und setzt zytotoxische Granula frei. 2) Die freigesetzten Substanzen dringen in die Zelle ein, durchlöchern die Membran und lösen den programmierten Zelltod (Apoptose) aus. 3) Nach dem Zelltod bleiben apoptotische Körperchen zurück, die von einer Makrophage aufgenommen und verdaut werden.

    Verklumpung von Erregern (Agglutination): Die Agglutination ist ein Prozess, bei dem Antikörper mehrere Krankheitserreger (wie Bakterien, Viren oder fremde Zellen) gleichzeitig binden und sie dadurch miteinander verklumpen lassen. Diese Verklumpung erschwert es den Erregern, sich zu bewegen, zu vermehren oder Zellen zu infizieren. Außerdem wird es für das Immunsystem einfacher, diese größeren Klumpen zu erkennen und zu beseitigen. Makrophagen und andere Fresszellen können die verklumpten Erreger effizienter aufnehmen und verdauen, da sie durch die Agglutination konzentriert und leichter erreichbar sind.

    Abb. 87: Verklumpung von Erregern (Agglutination)

    1) Antikörper binden mehrere Erreger und verklumpen sie, wodurch das Immunsystem sie leichter beseitigen kann. 2) Makrophagen haben eine außergewöhnliche Fähigkeit zur Phagozytose. Die Membran einer Makrophage ist flexibel und kann sich erheblich vergrößern, um auch große Partikel zu umschließen. Bei der Phagozytose „fließt“ die Membran um die zu verschlingenden Partikel herum. Obwohl die Klumpen durch Agglutination groß erscheinen können, sind Makrophagen durch ihre flexible Membran und effizienten Verdauungsmechanismen bestens dafür gerüstet, solche Agglutinat-Komplexe aufzunehmen und zu verdauen. Die Agglutination ist also ein Mechanismus, der die Effizienz der Immunantwort steigert, indem er die Erreger „zusammenpackt“ und so leichter für Makrophagen und andere Phagozyten zugänglich macht.

    5.5.10. Regulatorische T-Zellen und ihre Rolle im Immunsystem

    Regulatorische T-Zellen (Tregs) sind spezialisierte Immunzellen, die eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung der Immuntoleranz spielen. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, eine übermäßige oder fehlgeleitete Immunantwort zu verhindern, die zu Autoimmunerkrankungen oder Gewebeschäden führen könnte. Tregs unterdrücken die Aktivität von Effektor-T-Zellen (wie zytotoxischen T-Zellen und T-Helferzellen) und B-Zellen, die Antikörper produzieren.

    Tregs üben ihre suppressive Funktion auf verschiedene Weisen aus:

    Sekretion von Immunsuppressiven Zytokinen: Tregs produzieren Zytokine wie IL-10, TGF-β und IL-35, die entzündungshemmend wirken und die Aktivität von Effektor-T-Zellen und anderen Immunzellen dämpfen.

    Modulation des Stoffwechsels: Tregs beeinflussen den Stoffwechsel anderer Immunzellen, indem sie den Zugang zu wichtigen Wachstumsfaktoren oder Energiequellen blockieren, was deren Aktivität einschränkt.

    Direkter Zellkontakt: Tregs können über direkten Zell-Zell-Kontakt inhibitorische Signale an Effektor-T-Zellen übertragen, was deren Funktion blockiert.

    Kontrolle der dendritischen Zellen (DCs): Tregs wirken auch auf antigenpräsentierende Zellen wie dendritische Zellen (DCs) ein, indem sie deren Fähigkeit zur Aktivierung von Effektor-T-Zellen herunterregulieren. Dies geschieht entweder durch Hemmung der kostimulatorischen Moleküle auf den DCs, die für die Aktivierung von Effektor-T-Zellen notwendig sind, oder durch Aufnahme von IL-2, einem wichtigen Wachstumsfaktor, den T-Zellen für ihre Vermehrung benötigen.

    Induzierter Zelltod: In manchen Fällen können Tregs sogar den programmierten Zelltod (Apoptose) von überaktiven Immunzellen auslösen, um eine überschießende Immunantwort zu verhindern.

    Tregs sind in der Lage, ihre Zahl und Aktivität dynamisch an die jeweiligen Erfordernisse des Immunsystems anzupassen. Während einer Infektion können sie zunächst weniger aktiv sein, um eine effektive Immunantwort zu ermöglichen. Nach dem Ende der Infektion werden sie jedoch aktiviert, um die Immunreaktion herunterzufahren und das Gewebe zu schützen.

    Bedeutung bei Autoimmunität und Krebs
    Eine Dysfunktion der Tregs kann zu Autoimmunerkrankungen führen, da das Immunsystem nicht mehr ausreichend reguliert wird und körpereigene Gewebe angreift. Allerdings können Tregs bei Krebs die Immunantwort abschwächen und dem Tumor dadurch helfen, der körpereigenen Abwehr zu entgehen.

    Regulatorische T-Zellen sind also entscheidend für die Feinabstimmung und das Gleichgewicht des Immunsystems, indem sie nicht nur die Immunantwort gezielt abschwächen, sondern auch das Risiko von Autoimmunität verringern und die Toleranz gegenüber körpereigenen Geweben aufrechterhalten. Diese präzise Regulierung ist besonders wichtig in der Abschaltphase des Immunsystems, die nach einer erfolgreichen Immunantwort einsetzt.

    5.5.11. Abschaltphase

    Nach der Bekämpfung einer Infektion muss das Immunsystem sorgfältig heruntergefahren werden, um Schäden am Körper zu vermeiden. Wenn dieser Abschaltprozess nicht korrekt funktioniert, kann es zu Autoimmunerkrankungen oder chronischen Entzündungen kommen.

    Die meisten Immunzellen, die während einer Infektion aktiviert werden, sterben nach ihrer Arbeit ab. Dies verhindert, dass der Körper durch eine Überzahl an Immunzellen geschädigt wird. Einige Zellen überleben jedoch und werden zu sogenannten Gedächtniszellen, die dem Körper helfen, zukünftige Infektionen schneller zu bekämpfen. Immunzellen können auf verschiedene Arten sterben, wie durch Apoptose (programmierter Zelltod) oder Nekroptose (eine Form von Zellzerfall). Diese Prozesse sind notwendig, um das Immunsystem nach einer Infektion zu beruhigen und wieder ins Gleichgewicht zu bringen.

    Kontrolle der Immunantwort

    Regulatorische T-Zellen: Nach Abschluss einer erfolgten Immunantwort produzieren die Regulatorischen T-Zellen Hemmstoffe, die die Plasmazellen und Killerzellen hemmen und die Immunreaktion stoppen.

    Rolle von Antigenen: Antigene, also fremde Substanzen, die eine Immunantwort auslösen, verschwinden nach einer Infektion normalerweise aus dem Körper. Dies signalisiert den Immunzellen, dass ihre Arbeit abgeschlossen ist, und in Abwesenheit von Antigenen leiten viele dieser Zellen ihren eigenen Tod durch Apoptose ein.

    Bleiben jedoch kleine Mengen von Antigenen im Körper zurück, kann dies verschiedene Auswirkungen haben. Einerseits kann es die Immunreaktion verlängern, was in manchen Fällen hilfreich ist, um sicherzustellen, dass die Infektion vollständig beseitigt wird. Andererseits kann es auch zu einem unnötigen Überleben und einer anhaltenden Aktivierung von Immunzellen führen, was das Risiko von chronischen Entzündungen oder Autoimmunreaktionen erhöhen könnte.

    Es gibt auch Situationen, in denen das Vorhandensein von Restantigenen dazu beiträgt, eine gewisse Aktivität des Immunsystems aufrechtzuerhalten, was insbesondere bei chronischen Infektionen oder in der Tumorimmunologie von Bedeutung sein kann. Hier kann eine niedrige, kontinuierliche Stimulation durch Antigene das Immunsystem in einem „Wachsamkeitszustand“ halten, der vor einem erneuten Ausbruch der Krankheit schützt.

    Insgesamt hängt die Auswirkung von verbleibenden Antigenen stark vom Kontext ab: Während es in manchen Fällen notwendig und nützlich sein kann, kann es in anderen Fällen zu unerwünschten immunologischen Reaktionen führen.

    Bedeutung von Interleukin-2 (IL-2): IL-2 ist ein Botenstoff des Immunsystems, der das Überleben und die Vermehrung von T-Zellen fördert. Je nach Situation kann IL-2 jedoch auch zum Tod der T-Zellen führen, was zeigt, wie komplex und fein abgestimmt die Regulierung des Immunsystems ist.

    Energiemanagement in Immunzellen: Aktivierte Immunzellen wechseln ihren Stoffwechsel, um sich an die Bedürfnisse während einer Infektion anzupassen. Sie nutzen zum Beispiel mehr Glukose, um Energie zu gewinnen. Am Ende der Immunreaktion müssen sie wieder in einen „Ruhemodus“ zurückkehren, um zu Gedächtniszellen zu werden.

    5.5.12. Gedächtnisphase

    Wie wir bereits erfahren haben, aktiviert die Immunantwort spezialisierte Zellen zur Bekämpfung des Erregers. In diesem Prozess werden nicht nur die akuten Abwehrmechanismen in Gang gesetzt, sondern es entstehen auch Gedächtniszellen. Diese Gedächtniszellen, bestehend aus langlebigen T- und B-Zellen, speichern spezifische Informationen über den Erreger und bilden das immunologische Gedächtnis. Dieses Gedächtnis ermöglicht es dem Immunsystem, sich an zuvor aufgetretene Krankheitserreger zu „erinnern“ und bei erneuter Exposition schneller und wirksam zu reagieren. Gedächtniszellen haben eine sehr lange Lebensdauer, im Gegensatz zu den Effektorzellen, die bereits während oder kurz nach der Infektion sterben. So trägt das immunologische Gedächtnis zur Entwicklung einer langanhaltenden spezifischen Immunität bei.

    T-Gedächtniszellen

    Während einer Infektion beginnt die Entwicklung von T-Gedächtniszellen bereits in den frühen Phasen der Immunantwort. Sobald eine naive T-Zelle ihr spezifisches Antigen über einen MHC-Komplex auf einer antigenpräsentierenden Zelle (APC) erkennt, wird sie aktiviert und beginnt sich rasch zu vermehren. Innerhalb weniger Tage kann eine einzige aktivierte T-Zelle auf Tausende bis Millionen von Klonen anwachsen – dieser Prozess wird als klonale Expansion bezeichnet. Während ein Teil dieser expandierten T-Zellen zu Effektor-T-Zellen wird, die unmittelbar an der Bekämpfung des Erregers beteiligt sind, differenziert sich ein anderer Teil zu T-Gedächtniszellen.

    T-Gedächtniszellen zeichnen sich durch ihre lange Lebensdauer aus, oft über Jahrzehnte hinweg, und bewahren die spezifische genetische Information der ursprünglichen T-Zell-Rezeptor-Rekombination. Sie zirkulieren zwischen Blut und sekundären lymphatischen Organen wie Lymphknoten und Milz und sind stets auf der Suche nach einer erneuten Begegnung mit ihrem spezifischen Antigen.

    Sollten T-Gedächtniszellen auf denselben Erreger treffen, erfolgt innerhalb weniger Stunden eine schnelle und effektive Immunantwort. Im Gegensatz zu naiven T-Zellen benötigen sie keine ständige Aktivierung durch körpereigene Moleküle und sind daher in der Lage, bei erneutem Kontakt zügig und effizient zu reagieren.

    Darüber hinaus sind Gedächtnis-T-Zellen in der Regel zahlreicher als ihre naiven Vorgänger. Dies ermöglicht eine blitzschnelle Reaktion auf eine erneute Exposition gegenüber demselben Erreger, wodurch die Immunantwort so effektiv wird, dass oft keine Krankheitssymptome auftreten.

    B-Gedächtniszellen

    Nach ihrer Aktivierung durchlaufen B-Zellen, ähnlich wie T-Zellen, eine Phase intensiver Vermehrung. Die meisten dieser Zellen entwickeln sich zu Plasmazellen, die Antikörper produzieren, wie z.B. IgG im Blutkreislauf oder IgA an Schleimhäuten. Ein Teil der B-Zellen differenziert sich jedoch zu Gedächtnis-B-Zellen, die sich während der Affinitätsreifung und nach Abschluss der akuten Immunantwort bilden.

    B-Gedächtniszellen zirkulieren durch den Blutkreislauf und die sekundären lymphatischen Organe, wie Lymphknoten und Milz, und sind auf der Suche nach ihrem spezifischen Antigen. In ihrem „ruhenden“ Zustand sind sie bereit, bei einer erneuten Begegnung mit dem Antigen schnell aktiviert zu werden.

    Sobald B-Gedächtniszellen ihr Zielantigen erkennen, differenzieren sie sich rasch zu Plasmazellen, die entweder IgG-Antikörper im Blut oder IgA-Antikörper an Schleimhäuten produzieren, um das Pathogen zu neutralisieren. Diese Mobilität und kontinuierliche Überwachung von Blut, Schleimhäuten und lymphatischen Geweben sind entscheidend für ihre Rolle in der sekundären Immunantwort.

    Anmerkung
    Die genauen Mechanismen, die die Entstehung, das Überleben und die Kontrolle von Gedächtniszellen steuern, sind noch nicht vollständig verstanden.
    [Beendigung der Immunreaktion]

    Eine sehr schöne Zusammenfassung der adaptiven Immunantwort findet man in diesen Videos:
    Cellular Immunity – Adaptive Immunity part 1
    Humoral Immunity – Adaptive Immunity part 2

    5.6. Zusammenfassung

    Abb. 88: Die Phasen der Immunantwort während einer Infektion

    Das Diagramm veranschaulicht die Phasen der Immunantwort während einer Infektion, beginnend mit dem Eindringen von Krankheitserregern bis hin zu ihrer Beseitigung. Es zeigt den zeitlichen Verlauf  der Infektion (x-Achse) und die Anzahl der Krankheitserreger im Körper (y-Achse) in Bezug auf die Immunreaktion.

    Etablierung einer Infektion: Dies ist die Anfangsphase der Infektion, unmittelbar nachdem die Krankheitserreger in den Körper eingedrungen sind. In dieser Phase beginnen sich die Krankheitserreger zu vermehren, und die körpereigenen angeborenen Abwehrmechanismen, wie Makrophagen und natürliche Killerzellen, versuchen, die Infektion einzudämmen. Wenn die Krankheitserreger erfolgreich die ersten Verteidigungslinien überwinden, etabliert sich die Infektion. In dieser Phase ist die Anzahl der Krankheitserreger noch relativ gering, kann jedoch schnell ansteigen.

    Aktivierungsphase: Sobald die Anzahl der Krankheitserreger einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, der durch die Antigenmenge bestimmt wird, setzt die adaptive Immunantwort ein. Diese Phase umfasst die Aktivierung von T-Zellen und B-Zellen, die spezifische Immunzellen sind, die das Pathogen gezielt erkennen und bekämpfen können. Diese Phase dauert mehrere Tage, da das Immunsystem die passenden Abwehrmechanismen entwickeln muss. Die Anzahl der Krankheitserreger kann weiterhin ansteigen, während die adaptive Immunantwort vorbereitet wird.

    Effektorphase: In dieser Phase ist die adaptive Immunantwort vollständig aktiviert. T-Zellen und Antikörper greifen gezielt die Krankheitserreger an und zerstören sie. Die Anzahl der Krankheitserreger erreicht ihren Höhepunkt und nimmt dann rapide ab, da das Immunsystem die Kontrolle über die Infektion gewinnt. Dies ist die entscheidende Phase, in der das Pathogen schließlich beseitigt wird.

    Gedächtnisphase: Nachdem das Pathogen beseitigt ist, tritt die Immunantwort in die Gedächtnisphase ein. In dieser Phase verbleiben Gedächtniszellen (spezifische T- und B-Zellen) im Körper, die auf eine erneute Infektion mit demselben Pathogen vorbereitet sind. Diese Zellen ermöglichen eine schnellere und effektivere Immunantwort, sollte der Organismus erneut mit dem gleichen Erreger konfrontiert werden. Die Krankheitserreger wurden eliminiert, und das Immunsystem hat ein „Gedächtnis“ für dieses spezifische Pathogen entwickelt.

    Von der anfänglichen Etablierung der Infektion über die Aktivierung und Effektorphase der adaptiven Immunantwort bis hin zur langfristigen Gedächtnisbildung wird deutlich, wie das Immunsystem auf Krankheitserreger reagiert und sich an zukünftige Infektionen anpasst. Am Ende dieses Prozesses ist der Körper vorbereitet und in der Lage, schneller und effektiver auf das gleiche Pathogen zu reagieren.

    Man ist immun.

    6. Verborgene Verteidigung – die Macht der Kreuzimmunität

    Wenn unser Körper mit einem Erreger in Kontakt kommt, setzt er eine erstaunlich komplexe Abwehrreaktion in Gang. Anstatt nur auf einen bestimmten Antikörpertyp zu setzen, bildet unser Immunsystem eine Vielzahl unterschiedlicher Antikörper, die verschiedene Teile des Erregers angreifen.

    Ein fremdes Molekül (Antigen), dass das Immunsystem erkennt, besteht oft aus mehreren kleinen Abschnitten, den sogenannten Epitopen. Diese Epitope sind spezifische Bereiche auf der Oberfläche des Antigens, die von Antikörpern oder T-Zell-Rezeptoren erkannt werden. Jeder Epitop hat eine einzigartige Struktur, die von verschiedenen Antikörpern gebunden werden kann. Dabei konzentriert sich das Immunsystem oft auf die wichtigsten Bereiche des Erregers, wie zum Beispiel die Bindungsstellen an Wirtszellen, wie das Spike-Protein, oder andere funktionell wichtige Proteine, die für die Virusstruktur und -vermehrung wichtig sind, etwa Membranproteine.

    Dadurch entstehen nicht nur Antikörper, die auf einen einzigen Teil des Virus abzielen, sondern eine ganze Bandbreite, die verschiedene Abschnitte des Virus angreift. Diese vielfältige Immunantwort hilft dabei, den Erreger auf verschiedenen Wegen zu bekämpfen und erhöht die Chancen, ihn unschädlich zu machen.

    Abb. 89: Interaktion von Virus und Immunsystem: Strukturen, Epitope und Antikörper

    1) Dieses Bild zeigt eine schematische Darstellung eines Virus, an dessen Oberfläche Spike-Proteine herausragen. Diese Spike-Proteine, die für die Bindung an Wirtszellen benötigt werden, sind charakteristisch für einige Virusarten. Darüber hinaus sind kleinere Membran- und Hüllproteine in die Virushülle eingebettet, die zur Stabilität und Funktion des Virus beitragen. 2) Auf dem Spike-Protein sind verschiedene Epitope sichtbar – spezifische Bereiche, an die Antikörper binden können. Auch Membran- und Hüllproteine können als Zielstrukturen für Antikörper dienen. 3) Spezifische Antikörper binden sowohl an die Epitope des Spike-Proteins als auch an das Membran- und Hüllprotein. Durch die gezielte Bindung blockieren die Antikörper die Funktion des Virus und neutralisieren es.

    In der Welt der Mikroben herrscht jedoch ein ständiger Wettlauf. Viren und Bakterien verändern sich, um dem Immunsystem zu entkommen. Sie ändern ihre Oberflächenstrukturen, damit sie als „neu” erkannt werden und eine frühere Immunantwort weniger effektiv ist.

    Allerdings sind diese Veränderungen an den Oberflächenstrukturen oft geringfügig. Das bedeutet, dass sich nur bestimmte Teile des Erregers ändern, aber nicht alle. Wenn man früher beispielsweise mit einem Grippevirus infiziert war, ist es möglich, dass einige der gebildeten Antikörper auch an ein leicht verändertes Grippevirus binden können.

    Hier kommt die Kreuzimmunität ins Spiel: Auch wenn das Virus mutiert ist, können einige Antikörper, die ursprünglich gegen den alten Erreger gerichtet waren, ähnliche Bereiche des neuen Erregers erkennen. Das bedeutet, dass das Immunsystem in der Lage ist, auch auf verwandte Viren zu reagieren, selbst wenn sie leicht verändert sind.

    Abb. 90: Vergleich der alten und neuen Virusvarianten

    Links eine schematische Darstellung eines älteren Virus mit intakten Proteinen (Spike-, Hüll- und Membranprotein). Rechts das neue Virus, das veränderte Epitope im Spike- und Membranprotein aufweist, jedoch mit unverändertem Hüllprotein. In der Mitte sind die Antikörper abgebildet, die trotz der Veränderungen am neuen Virus weiterhin an bestimmte Epitope des Spike-Proteins sowie an das Hüllprotein binden können.

    Kreuzimmunität ist ein faszinierendes Konzept, das zeigt, wie unser Immunsystem nicht nur gegen genau bekannte Erreger reagiert, sondern auch gegen verwandte Erreger, die ähnliche Eigenschaften besitzen. Sie bezeichnet die Fähigkeit des Körpers, durch eine frühere Infektion mit einem bestimmten Erreger auch teilweise gegen verwandte Erreger geschützt zu sein. Das kann bedeuten, dass eine Person bei einer erneuten Infektion mit einem ähnlichen Virus weniger schwer erkrankt oder sogar vollständig geschützt ist.

    Meistens ist die Immunantwort bei Kreuzimmunität etwas schwächer, da die Antikörper nicht perfekt zu dem neuen Virus passen. Ihre Bindungsfähigkeit ist oft reduziert, was bedeutet, dass sie weniger effektiv sind, das neue Virus vollständig zu neutralisieren. Trotzdem kann diese abgeschwächte Reaktion dabei helfen, die Krankheit zu lindern oder den Erreger schneller unter Kontrolle zu bekommen.

    Wenn das Immunsystem mit einer neuen Virusvariante konfrontiert wird, die sich stärker unterscheidet, beginnt es, neue und speziellere Antikörper zu produzieren. Die bereits vorhandenen Antikörper durch Kreuzimmunität können dem Körper jedoch einen kleinen Vorteil verschaffen, indem sie den Erreger zumindest teilweise bekämpfen, bis die gezieltere Abwehr aufgebaut ist.

    Kreuzimmunität zeigt eindrucksvoll, wie flexibel und anpassungsfähig unser Immunsystem im ständigen Wettlauf gegen Krankheitserreger ist.

    7. Wichtige Erkenntnisse zum Mitnehmen

    Ein Meisterwerk der Natur: Unser Immunsystem ist das Ergebnis von Millionen Jahren Evolution. Es funktioniert wie eine hochentwickelte und mächtige Armee, die ständig bereit ist, uns zu schützen. Dabei passt es sich kontinuierlich an und entwickelt sich weiter, um neuen Bedrohungen effektiv begegnen zu können.

    Fremd vs. Selbst: Das grundlegende Prinzip des Immunsystems besteht darin, zwischen körpereigenen und fremden Zellen zu unterscheiden.

    Bereits bei der Geburt geschützt:  Schon ab der Geburt besitzt der Mensch mindestens eine Immunzelle für jeden potenziellen Erreger auf diesem Planeten.

    Die Rolle der Lymphknoten: Die adaptive Immunantwort erfordert, dass Krankheitserreger oder ihre Teile in die Lymphknoten gelangen (bzw. in die sekundären lymphatischen Organe), um die Produktion von Antikörpern zu starten.

    Zwei Arten von Immunschutz: Es gibt das systemische Immunsystem, das über IgG-Antikörper den gesamten Körper schützt, und das mukosale Immunsystem, das die Schleimhäute mit IgA-Antikörpern verteidigt.

    Kreuzimmunität: Kreuzimmunität beschreibt die Fähigkeit des Immunsystems, durch eine frühere Infektion mit einem ähnlichen Erreger auch gegen neue, verwandte Erreger geschützt zu sein. Dies kann einen zusätzlichen Schutzmechanismus bieten.

    8. Schlusswort

    Die hier vorgestellten Einblicke in unser Immunsystem bieten einen spannenden Überblick über die biologischen Prozesse, die unseren Körper vor Bedrohungen schützen und unser Überleben sichern. Auch wenn wir bereits viel über die Funktionsweise des Immunsystems wissen, bleibt vieles noch unentdeckt und unvollständig erforscht.

    Ein interessantes Beispiel für die fortwährende Entwicklung unseres Wissens ist das Konzept der „trainierten Immunität“. Lange Zeit galt die angeborene Immunität als starr und unveränderlich – als eine unspezifische Abwehrlinie des Körpers, die in erster Linie auf akute Bedrohungen reagiert. Im Gegensatz zur adaptiven Immunität, die sich durch das Gedächtnis von T- und B-Zellen auszeichnet, schien die angeborene Immunität nicht in der Lage, sich anzupassen oder zu lernen. Doch neueste Forschungen haben gezeigt, dass auch die angeborene Immunität eine Art „Gedächtnis“ entwickeln kann. Bestimmte Zellen des angeborenen Immunsystems, wie Makrophagen und natürliche Killerzellen können durch frühere Begegnungen mit Pathogenen so modifiziert werden, dass sie bei späteren Infektionen schneller und effektiver reagieren können. Epigenetische Veränderungen ermöglichen es diesen Zellen, über längere Zeiträume hinweg im Gewebe präsent zu bleiben und die Immunabwehr zu unterstützen. [Angeborene Immunzellen sind lernfähiger als gedacht] Dieses neu entdeckte Potenzial erweitert unser Verständnis der angeborenen Immunität und zeigt, dass auch diese unspezifische Abwehr eine bemerkenswerte Fähigkeit zur Anpassung besitzt.

    Auch wenn wir noch nicht alles entdeckt und verstanden haben, verstehen wir dennoch eines: Diese faszinierende und unsichtbare Welt in uns ist der Schlüssel zu unserer Gesundheit und unserem Wohlbefinden und verdient daher unsere fortwährende Aufmerksamkeit und Pflege.

    Links für Interessierte

    Immunologie-Lehrbuch in deutscher Sprache
    Janeway Immunologie © 2018

    Das Werk führt den Leser durch alle Aspekte des Immunsystems – vom ersten Einsatz der angeborenen Immunität bis zur Erzeugung der adaptiven Immunantwort.

    Kapitel 1 – Grundbegriffe der Immunologie
    Kapitel 2 – Die angeborene Immunität
    Kapitel 3 – Die induzierten Reaktionen der angeborenen Immunität
    Kapitel 4 – Antigenerkennung durch B-Zell- und T-Zell-Rezeptoren
    Kapitel 5 – Die Entstehung von Antigenrezeptoren in Lymphocyten
    Kapitel 6 – Wie Antigene den T-Lymphocyten präsentiert werden
    Kapitel 7 – Signalgebung durch Rezeptoren des Immunsystems
    Kapitel 8 – Die Entwicklung der B- und T-Lymphocyten
    Kapitel 9 – Die T-Zell-vermittelte Immunität
    Kapitel 10 – Die humorale Immunantwort
    Kapitel 11 – Die Dynamik der angeborenen und adaptiven Immunantwort
    Kapitel 12 – Das mucosale Immunsystem
    Kapitel 13 – Das Versagen der Immunantwort
    Kapitel 14 – Allergien und allergische Erkrankungen
    Kapitel 15 – Autoimmunität und Transplantation
    Anhänge

    Die folgenden Links bieten eine ausgezeichnete Reihe von Erklärvideos zum Thema Immunsystem. Sie vermitteln anschaulich und verständlich die wichtigsten Aspekte und Funktionsweisen des Immunsystems.

    Das Immunsystem erklärt
    Diese Zellen machen dich immun gegen ALLES
    Kleine Bomben im Blut – Das Komplement-System

    Das Buch „Die Naturgeschichte des Immunsystems“ von Clemens Arvay [ISBN 978-3-86995-119-5] bietet eine umfassende und verständliche Darstellung der Funktionsweise des Immunsystems aus einer evolutionsbiologischen Perspektive. Arvay erklärt, wie das Immunsystem im Laufe der Evolution entstanden ist und welche Rolle es in der heutigen Zeit spielt. Das Buch ist sowohl für Laien als auch für Fachleute interessant, die mehr über die komplexen Zusammenhänge im Immunsystem erfahren möchten.

    Quellen (Stand vom 04.10.2024)

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  • Smart Governance

    Smart Governance

    The Art of Governing

    If you ask ChatGPT impartially about associations with the term „Smart Governance” and request a satirical description, you might get the following suggestion:

    „Smart Governance is the visionary concept that makes us believe we live in a perfect symbiosis of technology and administration, while in reality we are trapped by an invisible web of algorithms, data streams and bureaucratic surveillance. Imagine a world in which your decisions are no longer made by you, but by an AI that knows exactly what you want – before you do.

    In the era of smart governance, friendly, omniscient AIs monitor your every move. These well-meaning digital shepherds are always ready to tell you when it’s time to get up, when you should go to work and whether your jogging route is particularly efficient today – all in the name of your productivity and health, of course.

    Forget the freedom to make spontaneous decisions. Your to-do list is maintained by an almighty algorithm that optimizes every aspect of your life. Why think about what you want for dinner when smart governance has already calculated the perfect meal plan for you?

    In this utopian world of smart governance, there are no secrets. Your data is openly accessible because transparency is key. From your financial transactions to your latest doctor visits, everything is public to ensure everyone is on the same page. After all, why would anyone have anything to hide?

    Your behavior is constantly corrected by subtle hints (nudges). Do you want to eat the last chocolate in the cupboard? A gentle hint on your smartphone will alert you to the fact that you have already reached your calorie limit. In this way, you learn to always make the „right” decisions without the burden of thinking.

    Your opinion counts – at least in theory. Automated systems take the effort out of voting by deciding on the basis of your previous preferences. After all, the AI has a better understanding of your needs and wishes than you do.

    Smart governance is the triumphant evolution of the transparent citizen, in which you no longer have to worry about making your own decisions. In this satirical vision of the future, you are no longer the master of yourself, but a well-supervised subject in a perfectly organized digital paradise. All for the higher goal of efficiency and optimization – welcome to the smart world of tomorrow!“

    Before we dive into the wonderful world of smart governments, let’s first clarify the basic terms. And don’t worry, it won’t be as complicated as a politician trying to answer a simple question!

    The term „smart” has undergone a fascinating development. It originally comes from the Old English „smeart” and meant something like „painful” or „stinging”. Yes, you read that right – if you were stung by a wasp back then, you would have said: „That was smart!” Nowadays, however, „smart” means something completely different. It stands for cleverness, efficiency and technology – much like your smartphone, which is smarter than some politicians!

    Let’s move on to the next term ‚governance‘. This comes from the Latin and means something like ’steering‘ or ‚directing‘. It is therefore about the art and science of leading a society, making decisions and maintaining order. Think of governance as a big chess game in which the citizens are the pawns – but without the risk of someone having to sacrifice the pawns.

    But how does simple Governance become Smart Governance? It’s quite simple: you add technology, data analysis, and a dash of innovation. The result is a government that reacts faster, is better informed, and even reads your emails—well, of course, only in the best sense! In the world of Smart Governance, the classic question „Who rules the world?” magically transforms into „Who is the smartest in the room?”.

    Governance and Smart Governance are like siblings fighting over the remote control – only this one is about control over entire nations! But let’s not forget what really binds these two siblings together: Power. Power to make decisions, power to change things, and power to decide who orders the pizza at the next cabinet meeting.

    Governance and Smart Governance are the frameworks through which power is exercised, controlled, and legitimized—much like the invisible wizard behind the scenes who rules the political stage. But what does power actually mean?

    Power is a fascinating force that operates within the social relationships and structures of our world. It refers to the ability of a person or group to influence or control the behavior, decisions or actions of others. Whether in politics, business, society or on a personal level, power manifests itself in many different ways and shapes our daily lives.

    From political authority and social prestige to economic influence, power takes various forms and dimensions that are intertwined and shape our world in complex ways. It can be both obvious and direct as well as subtle and indirect, and it is often unevenly distributed, leading to tensions, injustice, or even conflicts.

    „The feeling of having no power over people and events is generally unbearable to us. When we feel helpless, we feel miserable. No one wants less power; everyone wants more. In the world today, however, it is dangerous to seem too power hungry, to be overt with your power moves. We have to seem fair and decent. So, we need to be subdecongenial yet cunning, democratic yet devious.“
    Robert Greene, POWER – The 48 Laws of Power

    The urge for power is a fundamental human need. However, in a world characterized by democratic principles and human rights, the direct and overt exercise of power is often unacceptable. Instead, it requires subtle strategies and tactics to gain and maintain power while maintaining an image of fairness and decency. In a world characterized by increasing transparency and the pursuit of justice, the ability to exercise power in smart and skillful ways is critical to achieving long-term goals and bringing about change. This does not mean that ’smart governance‘ should be manipulative or unethical. On the contrary, it requires a balanced understanding of ethical boundaries and a careful balance between power and responsibility.

    Michel Foucault, a significant thinker in the analysis of power structures, emphasized the ubiquity of power in social structures and interactions. He argued that power is not only exercised from top to bottom but also comes from various directions and levels. This perspective highlights the complexity and multifaceted nature of power relations and reminds us that power is not confined to specific institutions or individuals but is present in the smallest and most everyday interactions.

    „Power is everywhere: not that it engulfs everything, but that it comes from everywhere.“
    Michel Foucault, The History of Sexuality

    Foucault’s ideas emphasize the importance of a comprehensive understanding of power and demonstrate that power is not only exercised through overt confrontation or visible authority but also through subtle mechanisms of normalization, discipline, and surveillance. In a world where power often operates behind the scenes, it is crucial to recognize and critically examine these hidden dynamics to achieve a more just and balanced power relationship.

    In the upcoming chapters, we will first turn our attention to the theoretical foundations of power in a society and analyze its relationship with Governance and Smart Governance. We will explore how power structures are organized both formally and informally and how they are exercised through various mechanisms—political, economic, and social.

    Subsequently, we will examine concrete examples such as the COVID-19 policy and the One-Health approach to illustrate different forms of governance.

    Furthermore, we will highlight some key technological pillars of Smart Governance and provide an outlook on the future of this development.

    Through this in-depth analysis and investigation, we aim to foster a deeper understanding of the dynamics of Power, Governance, and Smart Governance, and encourage readers to critically reflect on the ways in which power is exercised and directed in our modern world.

    1. Governmentality – The Visible and Invisible Threads of Power
    1.1. The Link between Knowledge and Power
    1.2. Biopolitics
    1.3. Dispositives of Power
    1.4. Disciplinary Power
    1.5. Technologies of the Self
    1.6. Resistance and Counterpower
    1.7. Summary
    2. Corona Crisis: Governance and Biopolitics in a State of Emergency
    3. One Health Approach – Prevention Through Continuous Governance
    4. The Technological Pillars of Smart Governance
    4.1. The European Digital ID
    4.2. Technological Self-management as the Foundation of Smart Governance
    4.3. Digital Twins as the Basis for Smart Governance Strategies
    4.4. Intelligent Money – Smart Money and Smart Governance
    5. A Glimpse into the Future – Smart Governance at Its Best
    6. Smart Resistance
    7. Epilogue – Is Smart Governance Truly the Only Option?

    1. Governmentality – The Visible and Invisible Threads of Power

    In his analysis of forms of governance and ruling in modern societies, Foucault introduces the concept of „Governmentality”. This term combines the words ‚government‘ and ‚mentality,‘ and refers to the ways in which techniques and practices of governance deeply penetrate and influence people’s thinking and behavior.

    Foucault argues that governance is not merely a matter of political institutions or state authority but encompasses a complex network of knowledge, measures, and techniques aimed at steering and guiding human behavior. It involves not only the direct exercise of coercion or control but also the construction of specific systems of knowledge, norms, and behaviors that subtly influence individuals.

    Governmentality surrounds us like a three-dimensional matrix. It has different faces and sometimes contradictory manifestations, so that we often „can’t see the wood for the trees”. The following classification of its most important aspects can provide a simple orientation aid in this ‚power jungle‘.

    1.1. The Link between Knowledge and Power

    The phrase „knowledge is power” has established itself over the centuries and is often interpreted to mean that someone with extensive knowledge also possesses significant influence and superiority over others. This notion does not always carry a positive connotation: the more one knows about a person, the more control one can exert over them and exploit their weaknesses.

    In Foucault’s analysis, knowledge itself is an instrument of power, operating at both macro and micro levels. It is not neutral but is always intertwined with power processes that profoundly affect social structures and individual lives. Those who possess knowledge or control over it also wield power over others.

    Knowledge involves understanding patterns, connections, and meanings. It is created when information is analyzed, linked, and interpreted within a coherent and useful framework. Information arises from data when the latter is placed in context and interpreted. Data, in turn, are raw pieces of information that can be collected.

    The sheer volume of available data can certainly expand the possibilities for acquiring knowledge, but simply increasing the amount of data does not automatically lead to more knowledge. Instead, it is crucial how data are collected, analyzed, interpreted, and placed into a useful context. The quality of the data, the methods of analysis, and the ability to synthesize and interpret information meaningfully play a critical role in transforming data into knowledge.

    The linking of knowledge and power is a key driving force behind the digitalization of modern societies. Digitization generates, collects and analyses huge amounts of data (Big Data). Big data includes information from various sources such as social media, sensors, transactions, medical records and more. Governments and companies use big data and advanced analytics techniques to collect, analyze and interpret extensive information about the population. This data often includes personal information such as demographics, behavioral patterns, consumer behavior, health data and social interactions.

    Artificial intelligence (AI) is increasingly being used to gain insights from these analyses. AI encompasses technologies that enable computers to perform tasks that would normally require human intelligence. Through the use of machine learning (ML), a subfield of AI that focuses on algorithms and models that enable computers to learn from data and make predictions, predictive models are being developed that can forecast future events.

    The combination of big data, artificial intelligence (AI) and machine learning (ML) offers governments and companies new tools. They can use them to identify trends, carry out risk assessments and predictive analyses, implement monitoring programs, plan interventions, allocate resources, control social processes, make informed decisions and ultimately exercise power.

    The „Link between Knowledge and Power” is ubiquitous and omnipresent.

    Governments and businesses use the data they collect to implement surveillance and control mechanisms. This ranges from state surveillance aimed at combating crime and terrorism to corporate use for influencing consumer behavior and securing market share.

    Big data analysis and ML can be used to carry out predictive analyses to combat epidemics, control traffic flows or plan urban infrastructure and make political decisions on this basis.

    By collecting and analyzing health data (electronic patient records, health apps, genetic data), health authorities and institutions can take more precise and effective measures for preventive and curative healthcare. These measures can also be used to monitor and manage health behavior (e.g. vaccination campaigns, quarantine measures, etc.).

    In the education sector, data on student performance and behavior are collected and analyzed to develop educational strategies tailored to the individual needs of students. This not only impacts education policy but also influences the future opportunities and prospects of the students.

    Companies use data analysis to increase productivity and efficiency, optimize work processes and monitor and control employee behavior.

    Platforms like Facebook, Google, and Amazon collect extensive data on their users and use it to provide personalized content and advertising that influences and directs user behavior. These platforms hold immense power due to the knowledge derived from the data of their billions of users. They can shape public opinion, influence purchasing decisions, and even promote or hinder political movements.

    As a central aspect of governmentality, the connection between knowledge and power is put into practice through Smart Governance.

    1.2. Biopolitics

    A fundamental component of governmentality is biopolitics, which deals with the comprehensive management of the population by state and other institutions. It encompasses many aspects of human behavior and social life. This includes measures related to healthcare, social policy, and demographic statistics, as well as other state interventions that impact the life and well-being of the population. Biopolitics further covers important areas such as reproduction and family policy, nutrition and consumption, education and upbringing, work and employment, environmental protection and sustainability, security and surveillance, migration and citizenship, as well as sexuality and gender politics.

    Through the introduction of laws, policies, and standards, biopolitics manages and regulates the life of the entire population in all its aspects. With these comprehensive measures, biopolitics aims to steer the behavior of the population and achieve specific societal goals.

    Here are a few specific examples:

    In the realm of healthcare, many countries have laws that mandate certain vaccinations to prevent the outbreak and spread of infectious diseases. For example, the Measles Protection Act requires measles vaccinations for children in daycare centers and schools, as well as for employees in medical facilities and community centers.

    Other laws and measures serve to control and contain epidemics, such as the Infection Protection Act (IfSG) in Germany. This legislation regulates measures for the prevention and control of infectious diseases in humans, establishing quarantine protocols and reporting requirements.

    Through compulsory education, curricula, and educational standards, education systems are used not only to impart knowledge and skills but also to promote social norms and values considered crucial for the stability and progress of society.

    Food production guidelines, nutritional standards or programs to combat obesity are used to regulate nutrition and consumption. This allows governments to influence the health and behavior of the population in order to achieve certain health or economic goals.

    Through environmental laws and standards, governments can regulate the behavior of individuals and businesses to achieve long-term ecological goals.

    Immigration laws can regulate migration and influence the determination of citizenship as well as the demographic composition and cultural dynamics within a state.

    Laws concerning equality, LGBT rights, and sexual education, which address sexual orientation and gender identity, have profound impacts on social norms within society.

    etc.

    Through the advancing digitalization of nearly all aspects of societal life, new terms such as Smart Health, Smart Cities, Smart Economy, etc., are continuously defined. The power generated through knowledge is concretely and perceptibly implemented in daily governance and administration through biopolitical measures.

    The realization of biopolitical strategies and goals requires corresponding infrastructure and mechanisms. This brings us to the so-called dispositives of power.

    1.3. Dispositives of Power

    Dispositives are networks of various elements such as institutions, laws, regulations, administrative measures, and scientific discourses that work together to achieve specific societal goals. These networks create and implement the frameworks within which power is exercised.

    Biopolitics operates within and through the dispositives of power. The networks that constitute these dispositives are the structures through which biopolitical strategies are implemented. For instance, biopolitics utilizes institutions such as hospitals, social services, schools, media, businesses across various industries, and prisons—all of which are components of the dispositives of power.

    Dispositives of power represent the means and mechanisms through which biopolitical measures are coordinated and implemented. A dispositif for public health, for example, might include hospitals, health laws, vaccination campaigns, and medical research, all working together to achieve the health objectives of biopolitics.

    Dispositives of power enable the normalization and control of populations. Biopolitics aims to promote certain norms and behaviors, and the dispositives create the frameworks within which these norms and behaviors are established as „normal” and „desirable”. Dispositives integrate various elements of society and create an environment in which certain behaviors are encouraged while others are discouraged.

    This shapes and directs people’s behavior in subtle and often invisible ways. Instead of overt coercive measures, the dispositives use knowledge systems, discourses and institutional practices to influence people’s behavior.

    The practical implementation is usually as follows:

    Carefully organized collections of knowledge and information, such as scientific studies and news reports, can provide the foundations upon which people base their views and decisions. (When people are informed through scientific studies that vaccinations can prevent diseases, they are more likely to be willing to get vaccinated.)

    These can be combined with conversations and discussions in society about specific topics. These conversations take place in the media, in politics and in everyday life. These discourses shape people’s opinions and attitudes. (The way the media presents issues influences public opinion. When the media frequently report on the dangers of climate change, public awareness increases and people are more willing to make environmentally friendly decisions, such as reducing plastic waste or using public transportation.)

    In most cases, these actions lead to the introduction of rules and norms to which people must adhere. (By implementing vaccination programs and preventive health check-ups in hospitals and clinics, the population is regularly encouraged to undergo check-ups and vaccinations.)

    Smart governance can be seen as a modern expression of the dispositives of power that extends and deepens traditional concepts of regulation, standardization and surveillance through state-of-the-art technologies and data analysis.

    A dispositive can include disciplinary power as one of the methods of exercising power.

    1.4. Disciplinary Power

    While biopolitics focuses on the management of populations, disciplinary power focuses on the regulation of individuals. Both forms of power aim to control and optimize people’s behavior. While biopolitics operates at the macro level by regulating the conditions and circumstances of the entire population, disciplinary power intervenes at the micro level by shaping the bodies and behaviors of individuals. Both forms of power complement each other and create a comprehensive system of social control.

    Disciplinary power is exercised through surveillance, standardization, punishment and reward, education and training. It aims to discipline individuals, standardize their bodies and behaviors and make them productive.

    Most of you will likely first think of prisons and penal systems. Indeed, the criminal justice system in democratic societies relies on disciplinary power to sanction and correct deviant behavior. Prisons and correctional facilities are institutions where surveillance, punishment, and rehabilitation play a central role.

    However, most of us encounter disciplinary power much more frequently than we might realize.

    Schools are a classic example of institutions that exercise disciplinary power. Through curricula, class rules, exams and monitoring systems, students are encouraged to behave according to norms and achieve certain performance standards.

    Employers use disciplinary power to control and direct the behavior of their employees. Through employment contracts, employee appraisals, workplace monitoring and reward/punishment systems, employers can influence the productivity and compliance of their employees.

    In democratic societies, various social control mechanisms exercise disciplinary power. These include social norms, moral expectations, cultural values, and peer pressure, which influence and regulate people’s behavior. Peer pressure refers to the influence that peers can exert on a person’s behavior, attitudes or decisions. This influence arises from the desire to be accepted, liked or respected by the group.

    The media also play a crucial role in exercising disciplinary power. Through targeted reporting, advertising, and entertainment formats, they can propagate, promote, and support certain norms, values, and behaviors, thereby steering moral expectations or peer pressure on individuals in one direction or another.

    Finally, it is important to recognize that the system of punishment and reward affects psychological behavior. It transforms the rules of the system from something one must follow to something one wants to follow because it is in one’s own interest. This philosophy underpins „technologies of self-management”, which rely on motivational systems to encourage desired behavior. By skillfully combining positive and negative incentives, these technologies help individuals to self-regulate and achieve personal as well as societal goals.

    1.5. Technologies of the Self

    Technologies of self-management, or „Technologies of The Self”, refer to the methods and practices individuals use to regulate, shape, and control themselves. This can involve self-discipline, reflection, self-improvement, and other personal strategies aimed at meeting specific norms.

    The legal and normative frameworks established by ‚biopolitics‘ and ‚dispositives of power‘ for collective governance and regulation influence individual behavior and self-image. Through technologies of the self, people internalize these norms, voluntarily and consciously adapting their behavior because they perceive the rules as useful and beneficial for themselves.

    Fitness apps rely on positive reinforcement through rewards and challenges to motivate users to exercise regularly. Learning platforms offer rewards for completing modules or passing tests, increasing motivation to keep learning. Financial apps offer incentives for sticking to budgets and saving money, while highlighting negative consequences for overspending. Self-management methods such as the Eisenhower Principle or the Pomodoro Technique encourage people to use their time efficiently and focus on important tasks.

    In this way, external directives become internal motivations.

    1.6. Resistance and Counterpower

    Some of you may be irritated or disturbed by the theoretical classification of the most important aspects of governmentality. But according to Foucault, power and resistance are closely linked. Where there is power, there is also the possibility of resistance. Resistance does not arise from outside or independently of power, but is part of the relationship between the actors of power themselves.

    „Where there is power, there is resistance, and yet, or rather consequently, this resistance is never in a position of exteriority in relation to power.“
    In Defence of Foucault: The Incessancy of Resistance

    Power relations can only exist if there are points of resistance that oppose them. Resistance is always a part of the network of power, serving as an adversary, target, support, or entry point for power. There is not just one grand locus of resistance, but many individual resistances, which do not necessarily overcome power in its entirety. Thus, wherever there is power, the possibility of resistance exists. Resistance does not come before or after power; rather, both exist simultaneously and condition each other.

    These considerations reflect the dynamic between conformity and non-conformity in society. It illustrates that a small group of non-conforming individuals plays a significant role in promoting change and innovation, while the conforming majority contributes to stability and order.

    Conformity and non-conformity are not rigid categories, but rather dynamic concepts that depend heavily on the social context and individual circumstances. What is considered conforming or non-conforming in one situation may be different in another. These concepts exist on a continuum, and a person’s behavior can move between these two poles depending on the circumstances.

    Foucault viewed resistance as specific struggles against the everyday applications of power, rather than a struggle against the existence of power itself. Since power relations are deeply embedded in social structures and cannot be simply eradicated, they cannot be radically abolished. Resistance, therefore, manifests in various forms and practices that challenge and negotiate the ways power is exercised and experienced, rather than aiming to eliminate power entirely.

    The interaction between governance and resistance is a dynamic and complex process that takes place in various ways.

    When governments encounter resistance, they can compromise or make concessions to make their measures more acceptable and reduce resistance. By involving the leaders of the resistance or including certain demands in their programs, governments can not only mitigate the resistance but also integrate it into their own strategy.

    Governments can use certain discourses to present their measures as necessary or beneficial in order to increase acceptance among the population. At the same time, they can portray resistance movements as illegitimate, irrational or dangerous in order to reduce their influence.

    Modern technologies such as Big Data, Artificial Intelligence (AI) and Machine Learning (ML) offer governments new opportunities to monitor and analyze resistance. By analyzing data, they can identify potential resistance movements at an early stage and react accordingly. Using predictive models, governments can predict potential resistance patterns and take proactive measures.

    Resistance and counterpower function as feedback mechanisms within power structures. They indicate to governments and institutions where tensions and discontent exist and can lead to adjustments in governance strategies. Persistent and significant resistance can compel governments to implement political reforms or reconsider existing measures. Resistance movements can initiate important public debates, contributing to the formation of new norms and values, which then influence governance strategies.

    The constant interaction between power and resistance can lead to the emergence of new power relations and to the further development and change of government practices and technologies.

    1.7. Summary

    By taking a closer look at Foucault’s idea of governmentality, one can better understand how power functions in a society and how it influences governmental structures. This helps to recognize and examine the complicated and diverse mechanisms of governance.

    While governmentality analyzes the theoretical aspects of power in a society, governance concerns the concrete methods and processes that apply and manage this power in practice. Smart governance is a further development of governance that uses modern technologies and digital possibilities to meet current requirements.

    2. Corona Crisis: Governance and Biopolitics in a State of Emergency

    Global crises often present governments with enormous challenges that require a swift and well-coordinated response. In such situations, the importance of smart governance becomes particularly evident.

    An outstanding example of this is the coronavirus pandemic. The analysis of political measures related to COVID-19 provides a concrete example of how smart governance principles are applied. In this process, the theoretical aspects of governmentality are put into practice and validated.

    Biopolitics manages and regulates the life of the entire population in all its aspects. Disease is therefore no longer seen as an individual problem, but as a challenge for the community. Dealing with the coronavirus is less about treating individuals and more about regulating the entire population.
    [Foucault II: Der Virus und die Biopolitik/-macht]

    This involves collecting and centralizing information and statistics, defining relationships and risk assessments and deriving biopolitical regulations from these, such as hygiene measures, quarantine measures, preventive examinations, medication, etc. The regulations for the individual result from these more comprehensive measures, which are scientifically justified by experts, scientists and specialists. They represent the standards by which every individual must measure themselves in order to be accepted as an integral part of the population.
    [Über die (Un)Möglichkeiten einer demokratischen Biopolitik]

    Biopolitical care follows a doctrine of solidarity. The focus is on the narrative that care for others (whether hygienic or biopsychosocial) also enhances one’s own safety and improves the lives of both the individual and humanity as a whole. From the individual’s perspective, this governance technology appears „like a good shepherd”, whose task is „to do good for those under his watch”.
    [Die Covid-19-Pandemie aus biopolitischer Perspektive nach Foucault, p. 217]

    With this background knowledge, we now turn to the historic television address by former Chancellor Angela Merkel, which took place on March 18, 2020. In this speech, Merkel addressed the German population to discuss the serious situation of the COVID-19 pandemic and to introduce the government’s measures to contain the virus.

    Chancellor Angela Merkel’s speech can serve as a textbook example of how dispositives of power, the link between knowledge and power and biopolitics intertwine in practice:

    „Millions of you cannot go to work, your children cannot go to school or daycare, theaters, cinemas, and stores are closed, and perhaps the hardest part: we all miss the interactions that are usually taken for granted. Naturally, each of us is filled with questions and concerns about what happens next in such a situation.“

    „I am addressing you today in this unusual manner because I want to tell you what guides me as Chancellor and all my colleagues in the federal government in this situation. This is part of an open democracy: that we make political decisions transparent and explain them. That we justify and communicate our actions as clearly as possible so that they are understandable.“

    „It is serious. Take it seriously too. Since German reunification, no, since World War II, there has been no challenge to our country that depends so much on our joint solidarity and action.“

    „I would like to explain to you where we currently stand in the epidemic, what the federal government and the state levels are doing to protect everyone in our community and to limit the economic, social and cultural damage. But I would also like to explain to you why you are needed and what each and every individual can do to help.“

    „With regard to the epidemic – and everything I am telling you about this comes from the ongoing consultations between the German government and the experts at the Robert Koch Institute and other scientists and virologists: research is being carried out at full speed worldwide, but there is still neither a treatment for the coronavirus nor a vaccine.“

    „But everything that could endanger people, everything that could harm the individual but also the community, we have to reduce that now.“

    „Now to what is most urgent for me today: all government measures would come to nothing if we did not use the most effective means to prevent the virus from spreading too quickly: And that is ourselves. Just as each and every one of us can be affected by the virus indiscriminately, each and every one of us must now help. First and foremost, by taking seriously what is at stake today. Not to panic, but also not to think for a moment that it doesn’t really depend on him or her. No one is expendable. Everyone counts, it takes an effort from all of us.“

    „The virologists‘ advice is clear: no more handshakes, wash your hands thoroughly and often, keep at least one and a half meters away from your neighbours and, ideally, hardly have any contact with the very elderly because they are particularly at risk.“

    „I know how difficult what is being asked of us is. We want to be close to each other, especially in times of need. We know affection as physical closeness or touch. But unfortunately, the opposite is true at the moment.  And everyone really needs to understand that: At the moment, only distance is an expression of care.“

    „Avoiding unnecessary encounters helps everyone who has to deal with more cases in hospitals every day. That’s how we save lives. This will be difficult for many, and it will also depend on leaving no one alone and looking after those who need encouragement and confidence. As families and as a society, we will find other ways to support each other.“

    „This is a dynamic situation and we will remain adaptable in it so that we can rethink and react with other instruments at any time. We will explain that too.“

    „That’s why I ask you not to believe any rumors, but only the official announcements, which we always have translated into many languages.“

    „We are a democracy. We do not live from coercion, but from shared knowledge and participation. This is a historic task and it can only be accomplished together.“

    „This means that it will depend not only, but also, on how disciplined everyone is in following and implementing the rules.“

    The call to follow scientifically based official communications and not listen to rumors shows that resistance is also expected when implementing the solidarity doctrine. Merkel’s speech illustrates how the government is trying to combat potential resistance and the spread of disinformation by taking control of the flow of information and increasing trust in official channels.

    The last two paragraphs quoted activate the social control mechanisms for exercising disciplinary power in democratic societies. The social norm redefined in the speech, combined with moral expectations and peer pressure, is intended to influence and regulate people’s behavior.

    In the following months, the so-called AHA+A rules—Distance, Hygiene, Everyday Mask, and App—were seamlessly complemented by the 3G rules: Tested, Recovered, Vaccinated.

    AHA+A
    3-G-Rules

    As a result, a „hierarchy” of individuals with varying capabilities emerges. Some conform to a certain norm, while others deviate from it. Some can be improved with specific measures, others cannot. For some, certain interventions are effective, while others require different approaches. This categorization of individuals based on their degree of normalcy is one of the major tools of power in contemporary society.
    [Die Covid-19-Pandemie aus biopolitischer Perspektive nach Foucault, p. 218]

    This results in two complementary biopolitical measures:
    a) the promotion of those who are deemed worthy of support,
    b) the exclusion of those deemed unworthy of support.
    [Die Covid-19-Pandemie aus biopolitischer Perspektive nach Foucault, p. 223]

    During an extreme situation such as a pandemic, two key biopolitical governance techniques come to the forefront:

    a) „Biopolitical Care within a Solidarity Doctrine“
    b) „State Racism“

    „State racism” focuses on the elimination of biological threats in order to strengthen the population. The implicit logic is that the more individuals who do not conform to the established norm (in this case, being vaccinated) are eliminated, the fewer degenerates there will be in the population. This will make humanity as a whole better, stronger and more resilient.
    [Die Covid-19-Pandemie aus biopolitischer Perspektive nach Foucault, p. 224]

    Against this backdrop, the headlines below appear in a different light.

    „Corona vaccination is a Christian duty“
    Manfred Lütz, Physician and theologian

    „The easiest way is to get vaccinated. It’s also the healthiest. I don’t want to have any vaccination certificate forgers as employees, if only because I don’t like employing weirdos. Who knows what other nonsense they believe in.”
    Jürgen Kaube, Editor of the FAZ, journalist

    „Vaccination opponents are enemies of the state”
    Udo Knapp, Political scientist and editor of the taz

    „Corona deniers should be consistently assigned to the right-wing extremist spectrum”
    Georg Maier (SPD), Thuringia’s Minister of the Interior

    „Health insurance doctors demand exclusion of unvaccinated individuals from medical care and psychotherapy”
    Association of Statutory Health Insurance Physicians in Baden-Württemberg

    „Access to the store [Food distribution for those in need] is only allowed for those who can provide proof of vaccination or recovery (2G)”
    Tante Emma Rodgau e.V., Food distribution for those in need

    These are not random and independent events attributable to incompetent or corrupt individuals. Rather, this scenario follows a systematic plan that unfolds as if from a textbook.

    Under these conditions, morality is in a sense legally enshrined and thus adopted by the state. The law loses its rational foundation and is instead based on values. Judgments are made in the name of ’solidarity‘.

    In his work The Birth of Biopolitics, Foucault writes: „With one hand freedom must be established, but the same action implies that with the other hand one introduces restrictions, controls, constraints, obligations based on threats, and so on”.
    [Die Covid-19-Pandemie aus biopolitischer Perspektive nach Foucault, p. 231-232]

    Governance in the 20th and 21st centuries operates between two opposing poles: On the one side are the dominant power techniques of the precautionary state, on the other the passive power techniques of liberalism. „Market and plan, invisible or visible hand, central control or self-organization” – the attempts of governance to manage human life economically can be located between these poles.

    In the pre-Corona era, governance guided the liberal Western society largely discreetly and with an „invisible” hand. The regulatory mechanisms (norms) were primarily oriented towards self-organization. The majority of the population was considered „normal” and „worthy of support” according to governance standards. People felt comfortable in the „feel-good society” and enjoyed the liberal-democratic order.

    These are the same structures, processes and mechanisms that triggered the global pandemic and, in this context, brought dominant power techniques into play more or less overnight. The regulatory mechanisms (norms) were turned around 180 degrees and the precautionary state came to the fore. In this way, democracy became a „democratorship”. The majority of the population adapted to the new regulatory norms (The New Normal) and continued to be considered „normal” and „worthy of support”.

    However, a non-negligible minority increasingly had problems complying with the new norms for various reasons and were considered „not worthy of support” in terms of governance. This group of the population experienced social exclusion and slowly began to question the situation. Resistance started to form. 

    With this biopolitical way of thinking, it becomes understandable how politicians, who had been staunch defenders of democracy for decades, could suddenly become fervent supporters of freedom-restricting measures „without red lines”. This also explains the deep division in society, which even affects families, friends, and acquaintances.

    After the regulatory norms shifted during the course of 2023 in connection with the pandemic, those who had previously been excluded were once again classified as „normal”. From a biopolitical perspective, this group transitioned from the „exclusion mode” to the „inclusion mode”.

    It feels as though lost freedoms and rights are being restored. There is a sense that the resistance was worthwhile and that one can regain their place in society with dignity. To ensure that a similar situation never happens again, efforts are underway to review and address the handling of the COVID-19 pandemic, with the aim of holding those responsible accountable.

    The so-called „RKI Files” deserve special attention. The term „RKI Files” refers to a collection of approximately 2,000 pages of internal protocols from the Corona crisis staff of the Robert Koch Institute (RKI), which were released through a court order. These documents contain detailed records of the meetings and decisions made during the COVID-19 pandemic. They help to understand the measures and responses during the pandemic and provide a basis for reviewing and analyzing the decisions made and their impact on society.

    On the one hand, these files illustrate the link between knowledge and power as an essential aspect of governmentality and show how scientific findings and political decisions were intertwined. On the other hand, the publication of these protocols has caused a stir, as they clearly show that many of the corona measures were politically and not scientifically motivated.

    The measures that have been particularly criticized include lockdowns and mandatory masks. It was revealed that the Robert Koch Institute (RKI) already knew that lockdowns and compulsory masks do more harm than good and that there was insufficient scientific evidence for a general mask requirement. It was recognized that the effectiveness of these measures had been overestimated or misrepresented. The documents suggest that decisions were influenced by political agendas rather than purely scientific assessments.
    [What do the RKI-Files really show?]

    The documents show that as early as February 2021, health authorities knew that vaccinations did not prevent infections, contrary to public statements at the time. The prevailing narrative suggested that vaccination would protect against severe disease and transmission, which later proved to be a flawed assumption. Despite knowledge of these limitations, the political narrative continued to rely on a broad vaccination campaign with promises of comprehensive protection.

    There continued to be concerns about the side effects and long-term risks of the vaccines, which were not fully communicated to the public. The documents indicate that the potential risks were downplayed and the focus was on vaccination as the main tool to manage the pandemic, without sufficient transparency about potential negative effects.

    Learning from past experience and optimizing future measures is a central principle of governance. It shows a willingness to respond to criticism, to question and adapt processes. This not only strengthens legitimacy and trust in state institutions, but also increases society’s resilience to future crises. This is in line with Michel Foucault’s view that power and resistance are inextricably linked.

    The decision of the courts to allow the publication of the unredacted RKI files can be seen as a step towards more transparency, possibly influenced by public pressure and the need to counter skepticism and mistrust. However, if no political, personal and legal consequences follow, this could be seen as an attempt to stabilize the existing power structure. Transparency without real change channels resistance and legitimizes the existing order.

    At the same time, this could be seen as a strategy to neutralize resistance by seemingly taking it seriously but undermining its effectiveness. This can lead to resignation in certain population groups, as the impression is created that resistance is acknowledged but not really taken into account.

    Previous reactions from media such as ZDF, Tagesschau and Die WELT indicate that the primary aim is to channel and control criticism and resistance by signaling transparency without, however, allowing any substantial consequences to follow. This approach could be seen as a tactic to maintain trust in governance while leaving the actual power structures untouched.

    To what extent the handling of „resistance and counterpower” by governance structures will lead to a change in the status quo remains to be seen in the near future.

    Summary:

    The analysis of events during the corona pandemic represents a governance crash course that covers all facets of governmentality – from the connection between knowledge and power, through power dispositives and biopolitics, to disciplinary power and the management of resistance and counterpower.

    The pandemic has also highlighted how crucial and beneficial digital technologies are for effective governance in crisis situations. It acted as a catalyst by accelerating the adoption and implementation of smart governance practices. For this reason, the pandemic can be understood as a pivotal moment that advanced the development and implementation of smart governance worldwide.

    3. One Health Approach – Prevention Through Continuous Governance

    While the debates surrounding the RKI files are still ongoing, the next crisis event from the „Disease X” category is slowly approaching – bird flu, which has a zoonotic background and is classified by the WHO as a disease with „pandemic potential”.

    And this puts the WHO’s One Health approach on the agenda.

    The WHO One Health approach, which sees human, animal and environmental health as inextricably linked, has far-reaching implications for governance. This approach is changing the way governments, organizations and institutions approach and respond to health issues.

    One-Health

    Compared to the measures to combat the coronavirus pandemic, the One Health approach is much broader in scope. It requires intersectoral cooperation at both national and international level and requires coordinated governance structures from the healthcare, veterinary, agricultural, food production, environmental and other sectors that enable different authorities and organizations to work together effectively. Globalization of governance structures must ensure that international guidelines and standards are harmonized and effectively implemented.

    The knowledge base for defining political decisions and measures is becoming much more complex and involves the integration of knowledge and methods from various scientific disciplines (epidemiology, veterinary medicine, agricultural, food, nutritional and social sciences, etc.).

    The integration of environmental health into health strategies requires governance to make environmental sustainability a central component of health strategies.

    The focus is on prevention rather than reaction. This changes governance by focusing resources and strategies more on prevention and early warning systems. This includes the monitoring of animal and environmental health and the implementation of early warning systems in these sectors to identify potential health risks to humans at an early stage.

    The implementation of the One Health approach requires the adaptation and development of new regulatory frameworks that take into account the interfaces between human, animal and environmental health. Governments must enact new laws and regulations that support these integrative approaches to health and ensure that all relevant sectors work together effectively.

    The One Health approach will rely more heavily on smart governance than the coronavirus policy. This is because it requires a comprehensive, preventive and intersectoral approach. Key components are the continuous collection and analysis of data, the integration of different governance structures and the use of modern technologies for monitoring and prevention. These aspects are particularly important in the One Health approach as it moves from a reactive crisis response to a more integrated and preventative governance model.

    The One Health approach thus offers a broader perspective and comprehensive tools for policy makers to respond to health crises (human/animal/environment) and take emergency measures where necessary. By emphasizing preventive measures, coordinated responses and international cooperation, the approach helps to strengthen resilience to health risks and minimize the impact of crises on society.

    Summary:

    „Dangerous epidemics or pandemics therefore have the potential” to intensify the biopolitical transformation of society and „the governmentalization of the modern state described by Foucault by taking measures that clearly go beyond epidemiologically indicated protective measures with the aim of containing the spread of epidemic diseases”.
    [Die Covid-19-Pandemie aus biopolitischer Perspektive nach Foucault, p. 233]

    In his work, Foucault emphasizes that „the transformations of power that develop and solidify in extreme situations” such as epidemics or pandemics „are not to be regarded as exceptional cases”, „but as the birth and enactment of new universally valid conditions that continue to apply even after the epidemic”. It is about the emergence and consolidation of the new power paradigm and its normalization.
    [Foucault: In der Seuche die Disziplinarmacht]

    The One Health approach can be seen as an evolution of crisis management, which, through its comprehensive, preventive, and technology-supported nature, forms the basis for the legitimization and lasting implementation of Smart Governance.

    4. The Technological Pillars of Smart Governance

    In the quest for a simple explanation of the fundamental tools of Smart Governance, one inevitably encounters a statement by Nandan Nilekani, CEO of Infosys Technologies:

    Source

    „What are the tools of the new world? Everyone should have a digital ID; everyone should have a bank account; everyone should have a smartphone. Then you can do everything. Everything else builds on that.“
    Nandan Nilekani

    It is worth taking a closer look at the individual elements of his statement.

    4.1. The European Digital ID

    In February 2024, the European Parliament adopted the eIDAS reform (electronic IDentification, Authentication, and trust Services) by a large majority. By fall 2026, all EU member states must offer their citizens a „European Digital Identity Wallet” (ID wallet). This wallet makes it possible to identify oneself both online and offline in almost all areas of life. The EU Commission is aiming for at least 80% of EU citizens to use a digital identity by 2030.

    A promotional video from the European Parliament explains that the EU ID Wallet securely stores important information such as official ID cards, documents and bank details in one place. The EU’s digital wallet is designed to make access to public and private services across Europe easier and more efficient. Use of the wallet is voluntary and free of charge. Citizens who decide not to use the digital wallet should not suffer any disadvantages. Wallet users can determine exactly which data is passed on to „trusted parties”. These parties, such as companies or public institutions, must register in the EU member states and specify which data they are requesting and for what purpose.

    According to the motto „Trust no politician”, it makes sense to find out about the specific technological implementation of digital identity. In doing so, you quickly come across the French high-tech company THALES, which plays a key role in many state digital projects at government level worldwide.

    THALES Group, based in Paris, is a listed company specializing in the following business areas: Defense Industry, Aerospace Technology and Digital Identity and Security. In the field of digital identity and security, THALES has core competencies in the technology segments of biometrics, data security and encryption.

    Several large-scale pilot projects will run until 2025 to test the EU digital identity wallet and ensure its secure and smooth roll-out. Around 360 entities are involved in these projects, including private companies and public authorities from 26 Member States as well as Norway, Iceland and Ukraine. Each pilot project is organized as a consortium and brings together expertise from the public and private sectors within the EU. The pilot projects test the EU wallet in various everyday scenarios that Europeans encounter on a daily basis. They also collect feedback on the wallet’s reference implementation. The knowledge gained will be used to improve the security, interoperability and overall design of the EU Digital Identity Wallet.

    Under the link eIDAS 2: the countdown to a single European Digital ID Wallet has begun we read:

    „Here at Thales, we are ideally positioned to support the key stakeholders responsible for making the EUDI Wallet a reality. As a global leader in trusted digital identity schemes, our teams have worked with governments, public services, and enterprises on eIDAS since its first iteration in 2014.
    As a result, we have a range of proven, eIDAS-certified solutions. Now, we partner with dozens of clients across Europe, helping them prepare for eIDAS 2.
    Our technology and expertise support the EU and its member states, accelerate the deployment and adoption of the wallet, and help to put greater convenience and security in the hands of millions of EU citizens.“

    This promotional video briefly and concisely explains how the eIDAS-certified „Digital ID Wallet” system solution from THALES works in practice.

    What is this advertisement subtly trying to convey to us?

    We meet the young, attractive woman called Lucy. The name Lucy is often associated with the 2014 action and science fiction film of the same name. In this fictionalized story, 25-year-old student Lucy drastically increases her brain power through a high dose of a drug and begins to use an ever-increasing portion of her „brain capacity”. When she finally reaches 100%, her body merges with all the equipment in a scientific laboratory to form an advanced supercomputer. Lucy travels back in time to the beginnings of the universe and meets her namesake Lucy, who lived around 3.2 million years ago and is often regarded as the link between apes and humans in human evolution.

    The choice of this name is intended to appeal to viewers by evoking the idea of enhanced capabilities as well as transformative and ground-breaking features. This emphasizes the uniqueness and innovative nature of the advertised product to attract their attention.

    Lucy is also a psychology student. Psychology, also known as the science of the soul, is an empirical science that focuses on describing and explaining human experience and behavior. Psychologists study the experiences, behaviors, and consciousness of people. By highlighting this, the advertisement aims to suggest to the viewer that this „evolutionary” technology is trustworthy.

    The Digital Wallet delivers a clear statement right from the start:

    „In fact I am a handy way of proving and protecting her identity, both online and face to face. Let us have a closer look at what I can do. I can help governments to better communicate with citizens. Right now I am reminding Lucy of the appointment she needs to schedule for her mandatory vaccination.“

    The individual is quickly and personally confronted with a classic biopolitical measure and discreetly reminded to adhere to the prescribed norms. The duty of a responsible citizen is to follow these norms as best as possible, correct abnormal behavior, and ideally avoid it altogether.

    In other words, the Digital ID Wallet demonstrates that it is an efficient and cost-effective tool for the government to inform us promptly about regulatory mechanisms (norms) and remind us to comply with them. An example of this is the mandatory vaccination. This, of course, assumes that the government is well-informed about our electronic health records. This will soon be ensured by the so-called Health Digital Agency Act (GDAG).

    The German Health Minister Karl Lauterbach summarizes the draft law in his X-post as follows:

    Back in 2020, the THALES promotional film illustrated the connection between the digital ID wallet and the electronic patient record when visiting the doctor. This seems to be pioneering for some government measures in 2024.

    The digital wallet also controls communication with all state authorities and enables access to financial and mobility services. The digital ID wallet is not only used for access to the state exam, but also for access to the pub.

    „Yes, I am Lucy´s best companion. I protect her identity and official credentials wherever she goes. I provide secured access to public and private services and allow her to have full control over her data privacy. In other words, I give the right access to the right data to the right person. I am also trusted by governments to best support countries digital transformation.“

    For the viewer, the Digital ID Wallet appears as the digital form of the „‘good shepherd’, whose task it is to ‘do good to those over whom one watches’”.

    In combination with the European Digital Identity, the smartphone is transformed into a specific, technical instrument for implementing government techniques to monitor and control both collectives and individuals. This implementation has two dimensions:

    a) political dimension

    Defined security and precautionary rules function as a control mechanism for the population, aiming to detect dangers and exert influence as broadly as possible on the behaviors of population and free (collective) subjects. For instance, in addition to pandemics, climate change is increasingly being defined as a risk situation.

    b) entrepreneurial-economic dimension

    The smartphone has become an everyday companion and generates countless amounts of data. Companies use this data to predict aspects such as purchasing behavior and lifestyle habits. They use comprehensive measures to influence the lives of both the population and individuals.

    The political dimension of surveillance and control is ‚visible‘. It is usually carried out in a „hard Go-NoGo” manner. In the event of non-compliance with the specified standards, consequences follow immediately (from exclusion to more far-reaching disciplinary measures). Roughly speaking, by using the Digital ID Wallet and its associated access to biometric data, one is fraud-proof transparent! And if one doesn’t meet the norms set by the ‚good shepherd‘, one could end up naked when the going gets tough. This brings back memories for some critics of the government’s coronavirus policy.

    The entrepreneurial-economic dimension operates in a more subtle, ‚invisible,‘ and discreet manner. It promotes ideals and norms, focusing on encouraging those who adhere to these norms.

    THALES has also created a suitable promotional video for this dimension entitled „Trusted digital lives”.

    The promotional story suggests limitless fun and convenience when digitizing one’s life. The key to this paradise is the digital capture of biometric data and its constant connection to one’s movement and behavior profile.

    According to the logic of Michel Foucault, the inventor of the terms ‚biopolitics‘ and ‚governmentality‘, the goal, in addition to maintaining/establishing a global state of equilibrium, is the security of the whole and its protection from internal dangers. As the population is diverse, it is a matter of recognizing the dangers on the one hand and finding a form of government that is so far-reaching that it is effective even in the most hidden corners of the population on the other. „To govern the population is to govern its global findings; to govern the population is to govern it in depth, in subtlety and in detail.“
    [The (in)visible ‚friend‘, p. 31]

    The establishment of a culture where the smartphone is used as an extension of one’s own person opens up entirely new possibilities for the organization and management of societies. With the introduction of the European Digital Identity, each individual can be securely identified and addressed in digital systems. This reduces our behavior to logical-mathematical processes, which are continuously optimized based on the data collected.

    4.2. Technological Self-management as the Foundation of Smart Governance

    „It is so easy to be immature. If I have a book to serve as my understanding, a pastor to serve as my conscience, a physician to determine my diet for me, and so on, I need not exert myself at all. I need not think, if only I can pay: others will readily undertake the irksome work for me.“
    Immanuel Kant (1724 – 1804), German Philosopher

    It was predicted 10 years ago that the era of personal computing, represented by desktop computers and laptops, would give way to the era of intimate computing. It was predicted that even before 2020, „intimate devices”, environments and networks would know a great deal about us.

    A vivid example of this development is the Humane AI PIN from Humane, a start-up company founded by former Apple employees that now receives support from prominent investors such as Sam Altman, Microsoft, Qualcomm Ventures and other well-known investors.

    This innovative gadget caused a global stir just days after its announcement in the media and is already being hailed as the next „game changer” after the smartphone. 

    At first glance, the advertising for the Humane AI PIN seems very convincing.

    Source

    The era of intimate computing has now become a reality, as Imran Chaudhri, CEO of Humane, explained in his visionary speech „The Disappearing Computer” during the TED conference in April 2023. It is worth watching this speech in full.

    Let’s take a look at some of the statements made by the Californian visionary:

    „In the future, technology will be both ambient (i.e. adapted to the environment) and contextual (i.e. adapted to the situation).  And that means you need to use AI to really understand yourself and your environment to get the best results.“

    „And we gain this context through machine learning. The more you use our AI-powered device, the better WE can help you in any emergency situation. Your AI effectively becomes a constantly evolving, personalized form of memory. And WE think that’s great.“

    „Your AI finds out what you need at the speed of thought. A feeling that will continue to evolve as technology advances. … As AI advances, WE will see it change almost every aspect of our lives. In ways that seem unimaginable right now. In fact, Sam Altman of OpenAI feels the same way we do – AI is vastly underestimated. And I’ll add, as long as WE get it right. WE truly believe that WE are just beginning to scratch the surface of what is possible.“

    „More human, more intuitive interactions that are screenless, seamless and tangible – that is the possibility of rethinking the human-technology relationship as WE know it. And that’s the exciting thing. It is undoubtedly a great challenge. But it is the world WE want to live in. A world where technology not only helps us get back into the world, but also enhances our ability to do so. It is within reach.“

    „In the future, the technology could be almost invisible.“

    These statements reflect the principles of neoliberal governmentality by emphasizing the individual’s responsibility to use and adapt to new technologies, promoting a culture of constant self-improvement and presenting technological control as a means of regulating and optimizing life. New norms and values are created through technological innovation. In this world, technology is not only useful but also enhances human capabilities, setting new standards for performance and efficiency.

    Neoliberal governmentality relies on digital surveillance. Without the data generated by digital surveillance, the system would collapse; they are its raw material and currency. Innovative gadgets, such as the Humane AI PIN, present themselves as efficient tools in efforts to discipline, control, and optimize the postmodern individual. They focus their attention on the individual with all its desires, ambitions, potentials, and weaknesses. It appears as though they are available to the individual to assist in becoming an improved and more successful self.

    In this process, the subtly deployed „Technologies of the Self”, as defined by Foucault, come into play. These are processes and practices that enable individuals, either independently or with the support of others, to carry out a variety of operations on their body, soul, thinking, behavior, and way of life.

    According to Foucault, the „Technologies of the Self” always require a relationship to the other: „One cannot deal with oneself without having a relationship to the other.” [Foucault, Michel: Die Regierung des Selbst und der anderen. Vorlesung am Collège de France 1982/83. Frankfurt/Main: Suhrkamp, 2009]

    The function of the Other is to speak the truth, especially unpleasant truths, which should encourage the subject to reflect on their actions and modify them if necessary.

    The following dialog sequence between the CEO of Humane and the artificial intelligence illustrates the practical application of these power techniques.

    Imran Chaudhri Dialogue with Humane AI Pin

    Above all, the technologies of the self are based on the subject’s free decision to work on himself and, by confessing his „sins” or „mistakes”, to open himself up to spiritual guidance and then to receive instructions or teachings.

    In Foucault’s philosophy of power, the subjugated subject and the autonomous self are two sides of the same phenomenon. When dealing with wearables in the context of the omnipresent data economy, the modern indifferent subject comes to the fore. On the one hand, it acts autonomously, actively and creatively and is aware of the risks and dangers of data mining. On the other hand, it bows to the principles of data production and takes no care to protect its own privacy. In this way, postmodern (supposed) concern for oneself results in self-neglect.

    The subject-object of self-measurement through wearables does not surrender out of cowardice (without fear of action or decisions) but due to convenience, disinterest, and a misguided assessment (‚I have nothing to hide‘) of its immaturity. Submission to the regime of self-optimization relieves the subject from independent thinking and self-care. It continuously receives user-friendly feedback and a preconceived interpretation of itself, freeing it from the obligation to reflect and contemplate. Self-awareness through data shapes a data-dependent subject – one that admits to being unable or unwilling to independently think about itself without wearables, delegating this form of self-work to a medium. In doing so, the subject becomes alienated from itself, especially from its own body, which becomes a foreign object translated into data streams. Despite the claim to enlightenment and supposed emancipation, this results in a flexibilized, self-marketing, fundamentally indifferent subject trapped in the subtle entanglements of digital pastoral power.

    Smartphones and wearables are becoming personal laboratories and promise to empower us all. These devices are evolving into advisors: they not only monitor our activities, but also give specific instructions and recommendations. The design of wearables influences our decisions, often unconsciously, by presenting different options. Users are guided towards certain behaviors through targeted nudging. In this way, wearables contribute to social control and convey general norms.

    Seen in this light, the visionary speech by Imran Chaudhri, the CEO of Humane, takes on a different perspective.

    The Israeli historian, Yuval Harari, gets more specific in this regard. During his ‚pathetic‘ appearance at the Frontiers Forum in May 2023 on the topic „AI and the future of humanity“, he outlines the following vision of the future:

    „But the longer we talk to the bot, the better it gets to know us and understands how to refine its messages to manipulate our political views or our economic views or anything else. As I said, by mastering language, AI can build intimate relationships with humans and use the power of intimacy to influence our opinions.“

    „New AI tools would have an immense impact on human opinions and our view of the world. For example, people could come to use a single AI advisor as the one-stop oracle and source of all the information they need.“

    „People and companies that control the new AI oracles will be extremely powerful.“

    Technological self-management and smart governance reinforce each other by using common principles and technologies to optimize both individual behavior and the management and governance of societies. Both concepts promote efficiency, transparency and personalized interactions through data-based decision making and behavior-guiding techniques. This symbiosis enables targeted changes on an individual and societal level.

    Smart governance promotes the decentralization and privatization of public services. Technological solutions that enable more efficient management of public services are often provided by private actors. This takes place within the framework of public-private partnerships or through the direct outsourcing of services to private companies.

    4.3. Digital Twins as the Basis for Smart Governance Strategies

    What would you do if you had a digital copy of yourself? A digital twin that is just like you and lives in an exact digital representation of your home, workplace or city? Even better, what if this digital twin couldn’t feel pain or injury? The possibilities would be incredible. You could make decisions without fear of the consequences and with much more certainty about the outcome.

    The management consultancy McKinsey describes the term „digital twin” as follows:

    „A digital twin is a digital representation of a physical object, person, or process, contextualized in a digital version of its environment. Digital twins can help an organization simulate real situations and their outcomes, ultimately allowing it to make better decisions.“

    Is it already possible to create a virtual copy of an entire city? Yes, this is already feasible. The Siemensstadt Square project is just one example of this.

    Digital twins act as a central platform for integrating and coordinating various smart technologies. They bundle data from IoT devices, sensors and other digital systems to create a comprehensive picture of the urban environment. This allows planners to test different scenarios and measure their results without affecting the city and its residents. Working solutions can then be implemented in the physical space.

    Digital twins are an indispensable tool for smart governance, as they offer numerous advantages and can significantly improve the efficiency and effectiveness of administration. This technology enables precise real-time data analysis and the simulation of various scenarios. As a result, potential problems can be identified at an early stage and suitable measures planned before they manifest themselves in the real world. The possible applications are diverse: from monitoring and maintaining infrastructure to analyzing environmental data and social dynamics to crisis management in the event of natural disasters or pandemics.

    Digital twins are detailed replicas of systems that are designed for a two-way flow of information with the real object. They enable a bidirectional exchange of real-time data and contribute to a better understanding of what is currently happening. This allows problems to be resolved in real time and the performance of the real object to be optimized.

    If a digital twin can successfully emulate an entire district, could it then be extended to the individual level to function as a personal digital twin?

    Many experts are convinced that this vision is achievable, and indeed, some of them are already working on highly ambitious applications. The assessment suggests that personal digital twins could become an everyday reality by the end of the decade – with significant impetus coming from the healthcare sector.

    Former CEO of General Electric, Bill Ruh, for instance, predicts that every person will be equipped with a digital twin from birth. This digital twin will leverage the individual’s genome to provide personalized treatment recommendations as soon as diseases occur.

    The fact that the Personal Digital Twin is more than just a vision is demonstrated by the circumstance that in 2020, the European Commission’s Joint Research Center (JRC) launched the project „MyDigitalTwin: Trusted Personal Digital Twins in a Transformed Society”. The information available on the Internet about this project is sparse. This link provides the following general information:

    „MyDigitalTwin (MyDT) project aims to study how to utilize, supervise, and control the rapidly growing generation of personal data via PDTs, and PDT role in understanding complex/fast societal dynamics. The study wants to explore the challenges related to ethics and privacy, and the opportunities to move the existing PDT frameworks from a Business–to–Customer (B2C) to a Government–to–Citizen (G2C) context. Finally, MyDT will consider the PDT role for a European e–Identity.“

    Further information on the EU Commission’s MyDigitalTwin (MyDT) project can be found in the eBook by Prof. Roberto Saracco entitled „Personal Digital Twins – A third evolution step of humankind?”. Prof. Saracco is not only one of the chairs of the IEEE Digital Reality Initiative, but also an active participant in the expert working group of the MyDT project.

    To what extent should the PDT reflect the physical person?

    This essentially depends on what is expected from the PDT. Currently, the use of PDTs is advocated in healthcare. A PDT designed for such a purpose would reflect physiological aspects of the person with a multitude of details (weight, height, gender, heartbeats, respiratory rate, metabolism, etc.) and may encompass various other health-related data (genome sequence, allergies, living environment, parental pathologies, occupational risks, etc.).

    This promotional video „Forward CarePod™, the World’s First AI Doctor’s Office” by the US company GoForward demonstrates how quickly this can now be implemented in practice.

    Google recently unveiled MedLM, a series of specialized generative AI models for the healthcare sector. According to Google, the performance of these AI models is equivalent to that of a medical specialist.

    With the promise of personal 360-degree comprehensive health protection around the clock, 365 days a year, the majority of the population will voluntarily take the first step towards a Personal Digital Twin (PDT).

    A large amount of personal data sets are obviously crucial for the operation of the PDT; a PDT without data does not exist. The article „The last bastion – The human body as a technology platform” provides an up-to-date overview of how this data is collected and processed technologically.

    In this constellation, the basis of trust between the natural person and the institution that collects and manages the personal data records is essential.

    For this reason, the European Union (EU) has introduced regulations such as the General Data Protection Regulation (GDPR) and the ‚EU Data Act.‘ While the ‚EU Data Act‘ aims to make more data available for societal and economic purposes, the GDPR focuses on the protection of personal data and the rights of individuals. These regulations address different needs: data protection and confidentiality on one hand, and data use and sharing on the other.

    This creates potential conflict. A harmonious alignment of the requirements of both regulations requires careful consideration to ensure that the objectives of the free flow of data and data protection are reconciled. And that is a real challenge for smart governance.

    Let us remember that biopolitics, as a central aspect of governmentality, manages the lives of the entire population through state and other institutions in all its facets. During a pandemic, the disease is no longer seen as an individual problem, but as a challenge that affects the entire community.

    How Personal Digital Twins can be used in combating a pandemic and how personal data is handled is simply explained by Prof. Saracco in this video excerpt.

    [Excerpt from the Webinar „Digital Twins and Personal Digital Twins in Pandemic Monitoring and Control”]

    In this scenario, the PDT exchanges health-related data with the physical person and with the health authorities, aka the state authority. The state authority determines how the respective data should be handled in the context of the current pandemic and what consequences this has for the physical person. Typically, certain behavioral rules are mandated by the state. As long as the physical person adheres to these rules, they remain „anonymous”, i.e. their privacy is respected. „Anonymity” disappears when the person does not adhere to the state-defined rules (there is an intrusion into privacy). In this constellation, the physical person is monitored 24/7 with the help of the PDT and conditioned if necessary.

    The ambitions to reflect a physical person through PDTs extend far beyond the healthcare sector. How far can and should one go?

    The discussions within the framework of the EU Commission’s MyDT project are primarily guided by the already available and growing „data landscape” of the physical person.

    The data landscape that can potentially be part of the personal digital twin.
    [Forum Virium Helsinki]

    Note that only a small portion of the data is generated and captured by the person themselves (self-measurement). Most data is generated through the person’s interaction with their environment and is collected by various institutions. The functioning of this process has already been illustrated in chapters 4.1 and 4.2.

    The extent to which the resulting digital footprint is used for creating a personal digital twin depends on the complexity of the analysis methods applied to existing datasets. With the help of AI models, today we have reached the point where a comprehensive profile of our person is silently created in the background across almost all domains. This profile can be used to predict future needs and/or to stimulate or control these needs. This growing sophistication in analyzing and managing personal data sets brings us ever closer to the concept of a digital twin. It is a „personal” digital twin in the sense that it reflects who we are (habits, history, future behavior), but it is not „personal” in the sense that it belongs to me – I basically have no control over this pseudo digital twin.

    An analysis of the EU AI-ACT (EU regulation establishing harmonized rules for artificial intelligence) shows that the EU Commission is planning the use of so-called high-risk AI systems in almost all areas of life. These systems are intended to closely monitor, review and evaluate the actions of each individual using AI. Ultimately, an individual’s ‚fate‘, including education, career development, access to services and financial resources, freedom of movement, legal protection and criminal prosecution, could be more or less influenced by these systems.

    Application Areas of High-Risk AI Systems

    This should answer the question, „How far can and should one go?”.

    According to Prof. Roberto Saracco, the expert group of the MyDT project has a broad range of applications in mind. There is consensus that a European initiative can promote the acceptance and dissemination of PDTs, supporting their use as part of the Internet of People (IoP) in healthcare, including the monitoring and control of epidemics. This sector is intended to pave the way for applications in smart cities, e-government, and so on.

    Through public-private partnerships, smart governance promotes the development of an ecosystem in which private companies establish a culture that requires the use of smartphones and wearables as a fundamental tool. These companies offer services via personal digital twins and encourage other companies to offer similar services via a personal digital twin.

    On the one hand, this development means that there may be many different Personal Digital Twins (PDTs), which can potentially cause confusion. On the other hand, this could motivate companies to offer an integrated PDT that combines existing, sector-specific PDTs for individuals.

    Professor Saracco expresses his views on the matter as follows:

    „I do not have a crystal ball, but if I had to make a prediction, I think that the evolution will be bottom up rather than top down. It is unlikely that an institution (like the EU) will dictate and steer the evolution of PDTs. It is much more likely that several companies will offer services that result in the creation/adoption of PDTs of people. Other companies will provide tools to integrate fragmented PDTs into a single entity that can be compliant with a general framework (this one could well be the result of work at an international standardization level) that can have some characteristics regulated by a body such as the EU.“ [Personal Digital Twins]

    It is anticipated that over time, the numerous Personal Digital Twins (PDTs) created to represent specific aspects of an individual will eventually merge into a single aggregated PDT. Professor Saracco predicts that within the next ten years and beyond, every person will have a personal digital twin. This Personal Digital Twin will be ‚born‘ during pregnancy through data collected from the mother’s medical examinations and will evolve throughout the person’s life. The PDT will represent the entire digital personality and can be used to share data at specific times, but only with pre-authorized institutions that have permission and a legitimate need for access, always under the control of the physical person.

    Let’s recall that the digital twin is designed for a reciprocal flow of information with the object being emulated. It involves a bidirectional exchange of data. The digital twin can be seen as an interface between the physical person and various AI systems, which are operated or controlled by private or public institutions. On one hand, the data collected to generate PDTs are also used for training and further development of AI systems. On the other hand, AI systems can provide personalized recommendations, assistance, or even predictions based on the digital representation of an individual, analyzing and processing his unique characteristics and behaviors.

    In crisis situations, PDTs can contribute to both „passive monitoring” and „active conditioning” of the physical person. An example of this was clearly illustrated in the video by Prof. Saracco. Once the infrastructure is established, it can be promptly adapted to the specific crisis situation, including all resulting restrictions and consequences for the individual. Let’s not forget that the next decade is full of global risks.

    4.4. Intelligent Money – Smart Money and Smart Governance

    Advancing global networking through technologies such as 5G and the Internet of Things (IoT), supported by powerful AI algorithms, is driving the development of the so-called ’smart economy‘. This refers to an economy that is becoming more efficient, sustainable and innovative thanks to digital technologies and data-driven processes. Key technologies such as the Internet of Things, artificial intelligence, big data and blockchain play a central role in this by helping companies to optimize processes, make their production more efficient, reduce energy consumption, make better use of their resources, develop new business models and respond better to customer needs.

    In a smart economy, data is continuously collected and analyzed in order to make informed decisions. Networking with the financial sector plays a crucial role in this. This connection makes it possible to make financial transactions more efficient, secure and transparent. The seamless integration of financial services into the digital economy places new demands on the digital form of money and inevitably leads to its further development.

    In the context of this evolutionary development, digital currencies will offer expanded functions that go beyond the simple roles of payment and value storage associated with traditional currencies. This is referred to as the ‚tokenized‘ form of money. Detailed and comprehensive information on this topic can be found in the article CBDC – A Love Story with Reservations.

    At this point, it is sufficient to say that „tokenization” refers to the process of transferring assets from the real world into the digital world by converting them into digital tokens. These tokens act as digital representations of real assets and are stored in a database.

    An asset is an economic value or resource that provides a company, person or organization with a benefit or entitlement to future benefits. These can include tangible assets (land, buildings, machinery, vehicles, equipment, inventory), intangible assets (patents, licenses, copyrights, software), natural assets (land, water, natural resources) and financial assets (cash, bank balances, shares and other financial instruments).

    The database, also known as a ledger, is used to record the current status of assets, liabilities and capital of a company or organization. Traditionally, a central authority has control over the data and controls access centrally. In a smart economy, a decentralized database, also known as a distributed ledger, is increasingly being used. In contrast to centralized ledgers, which are managed by a single central authority, the data in a distributed ledger is located on many distributed nodes or computers that are connected to each other via a network. This decentralized nature ensures greater security as the data is stored on multiple nodes and changes are cryptographically secured. Blockchain is a specific technological implementation of a distributed ledger.

    A token, in addition to containing information about the asset (e.g., unique identification, owner, custodian, origin, value, etc.), also includes rules that define what the asset can and cannot do.

    The token definition according to BIS [BIS]

    This makes it easier to integrate the tokens into so-called intelligent contracts, also known as smart contracts. A smart contract is a software program that represents a self-executing contract whose conditions are contained directly in the code. These codes run on a blockchain and automatically execute actions when predefined conditions are met, without the need for an intermediate instance.

    A smart contract covers all key aspects of a contract: from identifying the parties involved and the subject matter to the services, obligations, conditions, and duration, as well as management and enforcement. A smart contract is absolutely precise. It follows the pre-programmed logic down to the finest detail and is executed deterministically. This logic defines how the tokens operate and what rules they must adhere to.

    In the new monetary system, all currently available forms of money will have a digital twin.

    New and Existing Types of Money for a Future Fiat Currency System [Position Paper]

    In this technological construct, all money transactions can not only be clearly identified and tracked, but also integrated into complex, automated processes. In addition to payment transactions, even money functions can be programmed, which is known as „Smart Money”. The traditional wallet in which cash and cards are stored is transformed into a Digital Wallet – an app on a smartphone or computer that enables users to store their digital tokens, send and receive money, make purchases and manage their transactions.

    The advantages of the new forms of money cannot be denied. By integrating them into smart contracts, transactions can be processed faster and more cost-effectively than conventional bank transfers, which often take several days. In a smart economy, the flows of goods, money and information can be automated and synchronized, which leads to a further increase in efficiency.

    The transparency and traceability of transactions carried out on a blockchain reduces the risk of fraud and facilitates regulatory compliance. Another advantage of smart money is financial inclusion, as it can improve access to financial services for people who were previously excluded from the traditional banking system, which is particularly beneficial in developing countries.

    Interoperability is another important factor. Tokenized money can be used in different digital ecosystems and enables seamless integration with other digital services and platforms. Finally, these digital currencies offer a high level of security against cyberattacks and manipulation through the use of advanced encryption techniques and decentralized networks.

    The resulting intelligent and flexible financial instruments can not only significantly enhance the impact of Smart Governance on citizens‘ lives but also deepen it.

    Transactions between the government and citizens, both Government-to-Citizen and Citizen-to-Government, open up entirely new perspectives. Governments can ensure that public funds reach their intended destinations directly and without delay. Citizens can gain faster and more secure access to social benefits, pensions, or subsidies. In the tax system, Smart Money demonstrates its advantages by enabling automatic and real-time tax payments. This reduces administrative burdens, minimizes errors, and enhances the efficiency of the tax system. Automated tax payments simplify and make the process more transparent, which can promote tax compliance.

    The combination of Digital ID, smartphone, and Digital Wallet facilitates access to financial services for individuals without bank accounts or with limited access to traditional financial institutions. This financial inclusion not only promotes economic participation and helps reduce social inequalities but also maximizes the reach of Smart Governance, ensuring its effectiveness extends to even the most hidden corners of the population.

    Smart money facilitates the more effective implementation of specific political agendas, such as promoting sustainable development. Governments can encourage environmentally friendly behavior and sustainable investments by utilizing digital currencies and smart contracts to efficiently manage environmental subsidies and tax incentives.

    As described in the article CBDC – A Love Story with Reservations, the tokenized form of money forms the technological foundation for numerous new and innovative financial services in the private industry and financial sector. With increasingly advanced technologies based on AI algorithms, cities are transforming into ‚Smart Cities,‘ buildings into ‚Smart Buildings‘ or ‚Smart Homes,‘ and cars into ‚Smart Cars.‘ This extensive networking allows for the extraction and processing of more and more information from our daily lives into digital platforms. The motto ‚faster, further, higher‘ drives the integration of personal financial data, mobility profiles, details of living and working environments, and physical well-being into algorithmically controlled rules, which can be codified in smart contracts.

    In this context, „Smart Governance” establishes the rules, transparency requirements, efficiency goals, security standards, participation mechanisms, and data protection policies that ensure smart contracts operate within a legal and regulatory framework. As a result, significant aspects of a person’s life can be indirectly influenced by „Smart Governance”.

    The integration of Smart Money into Smart Governance brings numerous benefits but also significant challenges regarding control and surveillance. These aspects must be critically examined to maintain the balance between efficiency and personal freedom. Through the use of Smart Money, governments and financial institutions can track detailed transaction data in real-time. This allows for more precise monitoring of citizens‘ financial behavior, as every transaction can be traced and analyzed. A rather striking comment on this matter comes from Augustin Carstens, the General Manager of the Bank for International Settlements (BIS):

    Smart money gives governments the ability to control financial activities. Payments for certain goods and services could be restricted or blocked in order to combat illegal activities or regulate politically undesirable behavior.

    The storage and processing of large amounts of personal financial data entails considerable data protection risks. In authoritarian regimes, there is a risk that smart money could be misused as a tool for political repression. Governments could impose financial sanctions on political opponents or restrict access to financial resources for certain population groups.

    To alleviate concerns about government surveillance, it is the task of the authorities to reassure the public that appropriate regulations and controls are in place. In this context, international organizations such as the OECD play an important role. The OECD document entitled „Central Bank Digital Currencies (CBDCs) and democratic values” contains some relevant statements on this topic.

    „One of the risks posed by CBDCs for society is their potential use as surveillance tools, given potential access to heightened levels of information about users, including transaction and account level information. At the extreme, CBDCs could give governments the ability to monitor and track all transaction and other financial activity details of users, and also the possibility to exert greater control over private transactions. Authorities could unjustly censor users and transactions without due process or recourse.

    Moreover, in a scenario in which CBDCs are used for largescale control of monetary transactions, CBDCs could become an instrument of control and social profiling, biased and discriminatory treatment of users and possible human rights abuse.“

    The OECD is an international organization with 38 member states that are committed to democracy and a market economy. Its members include many EU countries, the USA, Canada, the UK, Japan and Australia. The document emphasizes not only understanding the risks of introducing CBDCs, but also setting clear guidelines to ensure that democratic values are taken into account in the design and implementation of CBDCs. There are four main areas to which particular attention is paid: (i) Civil liberties and human rights; (ii) Equity: availability, accessibility and affordability; (iii) Privacy and integrity; (iv) Trust: Security, transparency, operational resilience and protection of the aforementioned values.

    Democratic values for the design and implementation of CBDCs, as defined in the OECD report [OECD iLibrary]

    The OECD considers data protection as follows:

    „In terms of privacy options, the lowest degree of privacy would involve a design wherein all onboarding/KYC and transaction data are visible to the central bank. The second lowest degree of privacy would involve transparency and visibility of the above data to the intermediary only. On the other end of the spectrum, no data is visible to any third party or the central bank itself, i.e., full anonymity, which is not a desirable feature, as this would make it impossible to control circulation and to prevent money laundering. It would also impede regulation and enforcement activities. Instead, a model of ‘selective privacy’ involves a higher degree of privacy for low-value / low-risk payments, involving simplified checks (e.g., specific wallet with lower requirements during onboarding). Under this model, higher-value transactions would remain subject to standard controls.“

    Regardless of whether terms like „selective privacy” or „pseudonymity” are used, the complete anonymity of physical cash cannot be achieved. 

    „A permissioned CBDC system, where participation is managed by a trusted entity or set of trusted entities, could yield better results in terms of privacy protection of sensitive financial data: transaction history is generally only viewable by a small number of trusted entities and kept private with respect to others.“ [OECD]

    In essence, a type of asymmetric privacy protection is applied. While the majority do not know the true identity of a person behind a pseudonym (e.g., public address/key), thereby maintaining privacy (e.g., private address/key), there is the possibility for a select group of individuals or institutions to uncover the true identity through specialized knowledge and access to appropriate technologies. Therefore, pseudonymity does not provide complete anonymity but grants a degree of privacy from the general public, while still allowing traceability for certain authorized parties.

    This is an important point. The ability to determine the identity of a person behind a pseudonym contributes in some ways to the further concentration of knowledge and power. Individuals or organizations with the resources and technical ability to decode identity can thereby exercise increased control over the information and actions of those using pseudonyms. This can be particularly problematic if this power is in the hands of a few powerful institutions or governments, which can lead to an imbalance in terms of data protection and individual freedom.

    In this sense, it is important that the use of pseudonymity in society and in technological systems is accompanied by appropriate protection mechanisms and data protection regulations in order to prevent the misuse of knowledge and power and to protect individual privacy. In most cases, governmental or regulatory institutions are responsible for establishing and enforcing data protection regulations and safeguards against data misuse. These institutions are often set up by the respective governments.

    And this setup contains an implicit contradiction. The contradiction arises from the fact that the institutions responsible for protecting privacy are created by governments that simultaneously have an interest in collecting and utilizing more data. In a way, Smart Governance is the entity that has to regulate itself.

    In addition to the protection of citizens‘ privacy, the programmability of tokenized forms of money is another aspect that requires special confidence-building measures. In the document „Central Bank Digital Currencies (CBDCs) and democratic values”, the OECD comments on this topic as follows:

    „Although programmability could enable government or central bank-initiated programmable money that works only in certain ways, this would work against policy objectives of providing uniform CBDCs to citizens and promoting user trust. Payments programmability on the other hand, controlled by the users, could provide enhanced functionality for users to set rules on their payments. In some cases, it is envisaged that Payment Interface Providers and External Service Interface Providers could implement such programmable functionalities themselves, but they would require user consent and not be at the issuer’s direction.“

    The European Central Bank (ECB) has explicitly ruled out programmable money, but is in favor of programmable payments. While programmable money represents a direct intervention in the financial freedom of citizens, as it can restrict the use of money through set rules and conditions, the impact of programmable payments is not immediately apparent. In the context of smart contracts, programmable payments can influence citizens‘ behavior in a variety of ways by enabling automated incentives, conditional payments, regulation-compliant transactions, contract management and dynamic price adjustments. These mechanisms are designed to increase efficiency and trust while subtly and indirectly controlling the behavior of participants.

    Smart Money will definitely be a powerful instrument of Smart Governance in modern societies, as it improves the coordination of all market participants in line with economic and political goals.

    To achieve this goal, citizens must have a high level of trust in the government and financial institutions. If they feel that their financial privacy and freedom are threatened, this could lead to resistance and rejection of the new technologies. Therefore, smart governance will take care of making citizens feel safe. It is less important whether privacy and financial freedom are actually at risk; what matters is that citizens believe their data is secure and their freedom untouched. This feeling of security and trust is therefore a key factor in the success of Smart Governance and Smart Money.

    5. A Glimpse into the Future – Smart Governance at Its Best

    If you are still unsure about the possible development of society under the aegis of smart governance, it is worth taking a closer look at the future vision of the „Tokenize Europe 2025” initiative. This initiative was launched by the European Commission and the Association of German Banks and is supported by the consulting firm Roland Berger as well as more than 20 member organizations from various countries and industries to advance the tokenization of Europe.

    The future of Europe is described as follows:

    In 2030, we no longer „go online”, because being online is an integral part of life. Technology and digital services are embedded in our daily routines, our work, our lifestyle, 24 hours a day.

    A DAY IN THE LIFE OF A TOKENISED EUROPE IN 2030

    07:00

    It’s getting warm outside. Simon is a European citizen and has a biunique digital identity token stored in his smart watch. Simon’s digital personal trainer receives fitness data from his smart watch while he is asleep. Simon’s tokenbased digital twin always calculates the best action for him to engage in next. The trainer creates a daily plan in line with Simon’s preferences and fitness condition. Today’s plan has already been sent to all his electronic devices before the alarm rings. A micro-payment to his digital personal trainer was made automatically even before Simon woke up. Since weather data has also been sent to his smart home and has been adjusted by his local sensor, the air-conditioning is activated. Simon gets some coins for data collected from his local sensor.

    07:30

    Time for breakfast! The refrigerator, aware of the weather and Simon’s fitness condition, will recommend that he eats light meals today. The refrigerator knows what is stored inside it and also knows Simon’s preferences (e.g. for organic food that is digitally certified by the producer via a digital token containing all information about production, transport and delivery). By combining this information with Simon’s digital ID and payment data, the refrigerator can reorder missing foods. Simon’s grocery supplier delivers the food to his door within 20 minutes.

    08:00

    Simon receives a suggestion from his electric transport provider: „Simon, you shouldn’t be walking the long way to the office in hot weather conditions. We recommend using an eco-friendly carpool. Please confirm the pre-booking we have made.” In 2030, all digital identities – those of people and machines alike – are stored in digital wallets. These wallets also include digital money, driving licences, insurance policies and details of the registered address etc. – in Simon’s case all in accordance with his personal preferences and the rules he himself has pre-defined as owner of the data. The electric car, which has recharged itself at the parking space overnight, is ready and waiting for him.

    08:15

    To ensure an optimal distribution of cars within the city, dynamic pricing modules calculate usage fees based on location and/or nearby events. After the car key has been sent to Simon’s smartphone as a digital twin, the usage fee is calculated in addition to the dynamic price-per-kilowatt-hour based on consumption. The insurance fee is payable via a separate insurance token and depending on his driving style. Today, he received a discount, because he is also the owner of a security token from the car sharing company, and today they paid a dividend.

    08:30

    Simon works in the logistics department of a textile company that manufactures its products outside Europe and has a global supply chain. In the days before tokenisation, global supply chains were challenging to manage because of the many suppliers, intermediaries and public authorities involved across many different countries – complexities that came on top of non-digital/paper processes, language barriers, legal differences and time-zone differences. In combination with digital contracts and transactions, tokenisation has vastly improved the transparency, safety and efficiency of such transactions.

    09:00-17:00

    From his office in Berlin, Simon can track every link in the production chain. Ms. Jin picks the cotton from a field in the Huang-Huai-Hai region and the cotton is delivered to the factory by Mr. Xiao. An embedded token contains information about which workers have worked on the product and been involved in transporting it by truck to the harbour and the ship etc. This is especially useful to ensure that sustainable and ethical production and transport standards have been fulfilled every step of the way. Since the contracts with the suppliers are defined as smart contracts in a distributed ledger technology network, all payments are automated. If the contractual requirements are met, the payment will automatically be booked from the company’s wallet while Simon is enjoying a coffee at the office. After making sure everything is fine with the transaction, Simon joins his business meeting, which takes place in a metaverse application.

    17:00

    At the end of his working day, Simon’s digital personal trainer reminds him to attend his sports class, which is also in the metaverse. His trainer, who lives in the USA, will be waiting for him, so both can have a digitally enabled training session as if they were in the same physical place.

    20:00

    After working out, Simon has dinner with Zeynep. The bill for the delicious dinner is sent directly to Simon’s wallet, where he chooses the tip amount and pays in digital euros. The wallet provider – his bank – sends him a notification every time a payment or other change is made in the wallet. Furthermore, his personal electronic wallet consists not only of means of payment, but also of a variety of tokenised assets: stocks, stablecoins, exchange traded funds (ETFs) and corporate bonds. Some of his friends even own fractions of classic cars, artworks, houses and other items in the same way. This is possible because, nowadays, previously illiquid asset classes, high-priced assets and expensive transactions can be digitally acquired and processed in small fractions at almost no transaction cost.

    After arriving home, Simon has a last look at the latest news broadcast in the metaverse based on his self-defined preferences. He then calls it a day.

    6. Smart Resistance

    Does this future vision, developed by the European Commission and the Association of German Banks, align with your expectations? Do you aspire to lead a comparable everyday life to Simon’s?

    If so, congratulations! You are likely to experience an unconditional love story with a connected and cooperative environment, where public and private actors collaborate to promote a sustainable and livable society.

    If this vision evokes mixed feelings for you, your relationship with the Smart Governance system may be more of a love story with reservations. Despite the perceived benefits of the new system, you may hope for the government to demonstrate a strong understanding of democracy and mitigate or at least consider the potential drawbacks of the system.

    History has taught us, however, that the understanding of democracy can evolve over time. It is influenced by various factors, including societal developments, political events, cultural changes, and individual experiences. For example, technological advancements, economic conditions, or political crises can impact the perception and interpretation of democracy. Media and political discourses can contribute to shifting perceptions and expectations regarding democracy over time.

    If you reject the vision, don’t forget that Michel Foucault’s theory states that power and resistance are inextricably linked. In a world increasingly shaped by technology and data, forms of resistance will also evolve. These will also use modern technologies to fight against the power structures of Smart Governance. This movement can be referred to as Smart Resistance.

    Smart resistance might leverage advanced technologies such as encryption, anonymizing networks (e.g. Tor), decentralized platforms, and blockchain to protect privacy and circumvent surveillance. Activists could use social media, online petitions, and digital campaigns to raise awareness, create impact, and demand political changes. Hacker groups might uncover vulnerabilities in Smart Governance systems to expose misuse and corruption or disrupt the operation of surveillance systems. Whistleblowers within organizations could leak internal information to the public to reveal abuses and misconduct.

    Legal and lobbying efforts will also play a crucial role, with groups and individuals using legal tools to challenge unfair or illegal practices and influencing political decisions through advocacy. Public education and awareness about the risks and challenges of Smart Governance will empower citizens to be better informed, think critically, and engage actively. Cultural expressions such as art and literature can provide platforms for critique and alternative perspectives. Finally, the development and use of alternative technologies, such as open-source software, decentralized social networks, and secure communication platforms, will promote greater autonomy and privacy.

    Michel Foucault viewed resistance as specific struggles against the everyday practices of power, rather than a fight against the existence of power itself. Power relations are deeply embedded in societal structures and cannot be simply eradicated; they cannot be radically abolished. This means that Smart Resistance will not completely eliminate Smart Governance but rather will confirm and shape it.

    Smart Resistance operates within the existing power structures, employing similar technologies and methods to combat specific abuses of power. This form of resistance questions and transforms the practices of Smart Governance, but it does not eliminate the fundamental existence of Smart Governance. Instead, Smart Resistance helps to scrutinize, balance, and potentially make these power dynamics more just and transparent. In this dynamic interplay between power and resistance, Smart Governance is not abolished but rather evolved and adapted to meet the ever-changing demands and challenges.

    In simple terms, Smart Resistance can ensure that Smart Governance does not turn into „Smeart” Governance.

    7. Epilogue – Is Smart Governance Truly the Only Option?

    The world itself, in its physical, natural form, is analog.

    Most natural phenomena are continuous rather than discrete. Temperature, light intensity, and sound waves change continuously over time and space, which is characteristic of analog signals. Physical reality consists of matter and energy in a constant flow. Objects move along continuous paths, and quantities like speed and acceleration are also continuous. Life processes such as heartbeat, neural activities, and photosynthesis are examples of analog systems in nature. Our senses also operate analogically: eyes perceive light as a continuous spectrum, ears detect sound waves continuously, and skin sensors respond to changes in temperature and pressure.

    Digital technologies are based on the discretization of information, whereby analogue signals are converted into binary codes. This digitization enables precise processing, storage and transmission of data, which is beneficial in many modern applications. The digital world offers enormous advantages in terms of efficiency, accuracy and accessibility. The coexistence of analog and digital creates a hybrid reality in which we live and work. The challenge is to integrate these two worlds harmoniously in order to reap the benefits of both approaches.

    Technological progress is a natural consequence of human curiosity, research and innovation. Economic incentives and competitiveness often drive these innovations, making it virtually impossible to stop technological progress. The challenge for society is to shape this progress in a way that respects and promotes people’s needs and values. This requires appropriate regulation and governance to minimize risks and ensure that new technologies are used in line with societal values.

    Smart Governance is not just a reaction to technological progress, but actively uses it to achieve its goals. In the modern world, which is increasingly dominated by technology and data, it often appears as an inevitable step in the evolution of governance models.

    Smart Governance is usually based on the analysis and use of large amounts of data to make decisions and optimize processes. However, this does not necessarily mean that these decisions are guided by wisdom.  

    „Knowledge” refers to the awareness and understanding of facts, information, and relationships. It is based on objective data and empirical evidence. In contrast, „wisdom” pertains to a deeper level of understanding and insight. It includes the ability to apply knowledge to make moral judgments, comprehend complex situations, and consider the impact of decisions on individuals and society.

    Knowledge is measurable and often objective, gained through data analysis, research and experience. Wisdom, on the other hand, is more subjective and involves emotional intelligence and moral insight. While knowledge is often applied to solve practical problems and promote technological advances, wisdom focuses more on ethical guidance and the long-term impact of decisions. Knowledge can change and evolve quickly, while wisdom is developed through life experience and reflection over time. Knowledge is the result of intellectual learning and training, while wisdom is associated with maturity and an understanding of social and emotional dynamics.

    Wisdom requires the ability to find balance and harmony in complex situations. It involves empathy and respect for the needs and wishes of others as well as consideration of long-term effects and consequences. Wisdom also means ensuring justice and fairness. Wise leadership recognizes that technological developments and societal needs are constantly evolving. The ability to respond flexibly to these changes while maintaining the basic principles of balance and respect is a sign of wisdom.

    In terms of smart governance, this means that data and technological solutions alone are not enough to solve complex social and political problems. The integration of wisdom is crucial to ensure that decisions are made fairly, sustainably and in the best interests of society. Smart Governance should therefore not only focus on collecting and analyzing data, but also on promoting wise leadership and ethical responsibility to support harmonious and humane development.

    It should recognize and respect the diversity of lifestyles by providing both digital and analog options for accessing services and participating in public life. Citizens should have the freedom to choose the extent to which they want to use digital technologies without being forced to do so. A right to analog life requires that analog systems remain accessible and user-friendly, including physical government offices and paper-based forms. Support services should be offered to help people who have difficulties with digital technologies.

    The protection of privacy is particularly important, regardless of whether citizens prefer digital or analog lifestyles. Educational programs should support citizens in making informed decisions about the use of digital technologies while emphasizing the possibilities of an analog lifestyle. Legal frameworks must protect the right to an analog life and ensure that analog options are preserved in public and private services.

    The coexistence of Smart Governance and the right to an analog life requires a balance between technological progress and respect for individual lifestyles. By integrating these principles, wise leadership can ensure that technological innovation benefits all without jeopardizing the diversity of human lifestyles.

    Sources (as of 25.07.2024)

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  • Smart Governance

    Smart Governance

    Die Kunst des Regierens

    Fragt man ChatGPT unvoreingenommen nach Assoziationen zum Begriff „Smart Governance“ und bittet um eine satirische Beschreibung, erhält man folgenden Vorschlag:

    „Smart Governance ist das visionäre Konzept, das uns glauben lässt, wir leben in einer perfekten Symbiose von Technik und Verwaltung, während wir in Wirklichkeit von einem unsichtbaren Netz aus Algorithmen, Datenströmen und bürokratischer Überwachung gefangen sind. Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Ihre Entscheidungen nicht mehr von Ihnen selbst, sondern von einer KI getroffen werden, die genau weiß, was Sie wollen – bevor Sie es selbst wissen.

    In der Ära der Smart Governance überwachen freundliche, allwissende KIs jeden Ihrer Schritte. Diese wohlmeinenden digitalen Hirten sind stets bereit, Ihnen mitzuteilen, wann es Zeit ist, aufzustehen, wann Sie zur Arbeit gehen sollten und ob Ihre Joggingroute heute besonders effizient ist – natürlich alles im Namen Ihrer Produktivität und Gesundheit.

    Vergessen Sie die Freiheit, spontane Entscheidungen zu treffen. Ihre To-Do-Liste wird von einem allmächtigen Algorithmus gepflegt, der jeden Aspekt Ihres Lebens optimiert. Warum sollten Sie darüber nachdenken, was Sie zum Abendessen wollen, wenn die Smart Governance bereits den perfekten Ernährungsplan für Sie berechnet hat?

    In dieser utopischen Welt der Smart Governance gibt es keine Geheimnisse. Ihre Daten sind offen zugänglich, denn Transparenz ist der Schlüssel. Von Ihren finanziellen Transaktionen bis hin zu Ihren letzten Arztbesuchen – alles ist öffentlich, um sicherzustellen, dass alle auf dem gleichen Wissensstand sind. Schließlich, warum sollte jemand etwas zu verbergen haben?

    Ihr Verhalten wird ständig durch subtile Hinweise (Nudges) korrigiert. Möchten Sie die letzte Praline im Schrank essen? Ein sanfter Hinweis auf Ihrem Smartphone wird Sie darauf aufmerksam machen, dass Sie bereits Ihre Kaloriengrenze erreicht haben. Auf diese Weise lernen Sie, immer die „richtigen“ Entscheidungen zu treffen, ohne die Last des Nachdenkens.

    Ihre Meinung zählt – zumindest theoretisch. Automatisierte Systeme nehmen Ihnen die Mühe der Teilnahme an Abstimmungen ab, indem sie auf Basis Ihrer bisherigen Präferenzen entscheiden. Schließlich hat die KI ein besseres Verständnis Ihrer Bedürfnisse und Wünsche als Sie selbst.

    Smart Governance ist die triumphale Weiterentwicklung des gläsernen Bürgers, in der Sie sich keine Sorgen mehr machen müssen, eigene Entscheidungen zu treffen. In dieser satirischen Vision der Zukunft sind Sie nicht länger Herr Ihrer selbst, sondern ein gut betreutes Subjekt in einem perfekt durchorganisierten digitalen Paradies. Alles für das höhere Ziel der Effizienz und Optimierung – willkommen in der smarten Welt von morgen!“

    Bevor wir in die wunderbare Welt der smarten Regierungen eintauchen, lassen Sie uns erst einmal die grundlegenden Begriffe klären. Und keine Sorge, es wird nicht so kompliziert wie bei einem Politiker, der versucht, eine einfache Frage zu beantworten!

    Der Begriff ’smart‘ hat eine faszinierende Entwicklung hinter sich. Ursprünglich aus dem Altenglischen ’smeart‘ stammend, bedeutete er so viel wie ’schmerzhaft‘ oder ’stechend‘. Ja, Sie haben richtig gelesen – damals hätte man bei einem Wespenstich gesagt: „Das war aber smart!“ Heutzutage bedeutet ’smart‘ jedoch etwas völlig anderes. Es steht für Klugheit, Effizienz und Technologie – wie bei Ihrem Smartphone, das schlauer ist als so mancher Politiker!

    Kommen wir zum nächsten Begriff ‚Governance‘. Dieser stammt aus dem Lateinischen und bedeutet so viel wie ‚Steuern‘ oder ‚Lenken‘. Es geht also um die Kunst und Wissenschaft, eine Gesellschaft zu führen, Entscheidungen zu treffen und die Ordnung aufrechtzuerhalten. Stellen Sie sich Governance wie ein großes Schachspiel vor, bei dem die Bürger die Spielfiguren sind – jedoch ohne das Risiko, dass jemand die Bauern opfern muss.

    Aber wie wird aus einfacher Governance nun Smart Governance? Ganz einfach: Man fügt Technologie, Datenanalyse und eine Prise Innovation hinzu. Das Ergebnis ist eine Regierung, die schneller reagiert, besser informiert ist und sogar Ihre Mails liest – ähm, natürlich nur im guten Sinne! In der Welt der Smart Governance wird aus dem klassischen ‚Wer regiert die Welt?‘ auf magische Weise ein ‚Wer ist der Schlaueste im Raum?‘.

    Governance und Smart Governance sind wie Geschwister, die um die Fernbedienung streiten – nur dass es hier um die Kontrolle über ganze Nationen geht! Aber lassen Sie uns nicht vergessen, was diese beiden Geschwister wirklich zusammenhält: Macht. Macht, um Entscheidungen zu treffen, Macht, um die Dinge zu ändern, und Macht, um zu entscheiden, wer die Pizza beim nächsten Kabinettstreffen bestellt.

    Governance und Smart Governance sind die Rahmen, durch die Macht ausgeübt, kontrolliert und legitimiert wird – wie der unsichtbare Zauberer hinter den Kulissen, der die politische Bühne beherrscht. Doch was bedeutet eigentlich Macht?

    Macht ist eine faszinierende Kraft, die in den sozialen Beziehungen und Strukturen unserer Welt wirkt. Sie bezeichnet die Fähigkeit einer Person oder Gruppe, das Verhalten, die Entscheidungen oder die Handlungen anderer zu beeinflussen oder zu kontrollieren. Ob in der Politik, der Wirtschaft, der Gesellschaft oder auf persönlicher Ebene – Macht manifestiert sich auf vielfältige Weise und prägt unser tägliches Leben.

    Von politischer Autorität über soziales Ansehen bis hin zu wirtschaftlichem Einfluss gibt es verschiedene Formen und Dimensionen von Macht, die miteinander verflochten sind und unsere Welt auf komplexe Weise gestalten. Sie kann sowohl offensichtlich und direkt als auch subtil und indirekt sein, und oft ist sie ungleich verteilt, was zu Spannungen, Ungerechtigkeit oder sogar Konflikten führen kann.

    „Das Gefühl, über Menschen und Vorgänge keine Macht zu haben, ist uns allgemein unerträglich – wenn wir hilflos sind, fühlen wir uns elend. Niemand will Macht abgeben, alle wollen mehr. In der heutigen Welt ist es jedoch gefährlich, als zu machthungrig zu erscheinen, zu unverhohlen seine Machtspielchen zu treiben. Fairness und Anstand werden von uns erwartet, also müssen wir subtil vorgehen – schicklich, aber schlau, demokratisch, aber diabolisch.“
    Robert Greene, POWER – Die 48 Gesetze der Macht

    Der Drang nach Macht ist ein grundlegendes menschliches Bedürfnis. In einer Welt, die von demokratischen Prinzipien und Menschenrechten geprägt ist, ist jedoch die direkte und offene Ausübung von Macht oft nicht akzeptabel. Stattdessen erfordert es subtile Strategien und Taktiken, um Macht zu erlangen und zu erhalten, während man gleichzeitig ein Image von Fairness und Anstand bewahrt. In einer Welt, die von zunehmender Transparenz und dem Streben nach Gerechtigkeit geprägt ist, ist die Fähigkeit, Macht auf intelligente und geschickte Weise auszuüben, von entscheidender Bedeutung, um langfristige Ziele zu erreichen und Veränderungen herbeizuführen. Dies bedeutet nicht, dass ‚Smart Governance‘ manipulativ oder unethisch sein sollte. Im Gegenteil, es erfordert ein ausgewogenes Verständnis der ethischen Grenzen und eine sorgfältige Abwägung zwischen Macht und Verantwortung.

    Michel Foucault, ein bedeutender Denker in Bezug auf die Analyse von Machtstrukturen, betonte die Allgegenwart von Macht in den sozialen Strukturen und Interaktionen. Er argumentierte, dass Macht nicht nur von oben nach unten ausgeübt wird, sondern aus verschiedenen Richtungen und Ebenen kommt. Diese Perspektive betont die Komplexität und Vielschichtigkeit der Machtverhältnisse und erinnert uns daran, dass Macht nicht auf bestimmte Institutionen oder Individuen beschränkt ist, sondern in den kleinsten und alltäglichsten Interaktionen präsent ist.

    „Macht ist überall: Nicht, dass sie alles verschlingt, sondern dass sie von überall herkommt.“
    Michel Foucault, Geschichte der Sexualität

    Foucaults Ideen unterstreichen die Bedeutung eines umfassenden Verständnisses von Macht und zeigen auf, dass Macht nicht nur durch offene Konfrontation oder offensichtliche Autorität ausgeübt wird, sondern auch durch subtile Mechanismen der Normalisierung, Disziplinierung und Überwachung. In einer Welt, in der Macht oft hinter den Kulissen wirkt, ist es entscheidend, diese verborgenen Dynamiken zu erkennen und kritisch zu hinterfragen, um ein gerechteres und ausgewogeneres Machtverhältnis zu erreichen.

    In den kommenden Kapiteln werden wir uns zunächst den theoretischen Grundlagen der Macht in einer Gesellschaft zuwenden und deren Verhältnis zur Governance sowie zur Smart Governance analysieren. Dabei werden wir uns mit der Frage beschäftigen, wie Machtstrukturen sowohl formell als auch informell organisiert sind und wie sie durch verschiedene Mechanismen – politische, wirtschaftliche und soziale – ausgeübt werden.

    Anschließend werden konkrete Beispiele wie die Corona-Politik und der One-Health-Ansatz untersucht, um verschiedene Formen der Governance zu veranschaulichen.

    Des Weiteren werden einige wesentliche technologische Eckpfeiler der Smart Governance beleuchtet und ein Ausblick auf die Zukunft dieser Entwicklung gegeben.

    Durch diese eingehende Analyse und Untersuchung möchten wir ein tieferes Verständnis für die Dynamik von Macht, Governance und Smart Governance fördern und die Leser dazu anregen, kritisch über die Wege nachzudenken, wie Macht in unserer modernen Welt ausgeübt und gelenkt wird.

    1. Gouvernementalität - die sichtbaren und unsichtbaren Fäden der Macht
    1.1. Verknüpfung von Wissen und Macht
    1.2. Biopolitik
    1.3. Dispositive der Macht
    1.4. Disziplinarmacht
    1.5. Technologien der Selbstführung
    1.6. Widerstand und Gegenmacht
    1.7. Fazit
    2. Corona-Krise: Governance und Biopolitik im Ausnahmezustand
    3. One-Health-Ansatz – Prävention durch kontinuierliche Governance
    4. Die technologischen Eckpfeiler der Smart Governance
    4.1. Die Europäische Digitale ID
    4.2. Die technologische Selbstführung als Fundament der Smart Governance
    4.3. Digital Twins als Grundlage für Smart Governance-Strategien
    4.4. Das intelligente Geld – Smart Money und Smart Governance
    5. Ein Blick in die Zukunft - Smart Governance in seiner besten Form
    6. Smart Resistance
    7. Epilog - Ist Smart Governance wirklich alternativlos?

    1. Gouvernementalität – die sichtbaren und unsichtbaren Fäden der Macht

    Bei seiner Analyse der Formen der Regierungsführung und des Regierens in modernen Gesellschaften führt Foucault den Begriff „Gouvernementalität“ ein. Dieser kombiniert die Wörter ‚Regierung‘ und ‚Mentalität‘ und verweist darauf, dass Regierungstechniken und -praktiken tief in das Denken und Verhalten der Menschen eingreifen.

    Foucault argumentiert, dass Regierungsführung nicht nur eine Frage von politischen Institutionen oder staatlicher Autorität ist, sondern eine komplexe Netzwerkstruktur von Wissen, Maßnahmen und Techniken umfasst, die darauf abzielen, das Verhalten der Menschen zu steuern und zu lenken. Dabei geht es nicht nur um die direkte Ausübung von Zwang oder Kontrolle, sondern auch um die Konstruktion bestimmter Wissenssysteme, Normen und Verhaltensweisen, die die Menschen auf subtile Weise beeinflussen.

    Die Gouvernementalität umgibt uns wie eine dreidimensionale Matrix. Sie hat verschiedene Gesichter und teilweise widersprüchliche Erscheinungsformen, sodass man häufig „vor lauter Bäumen den Wald nicht sieht“. Eine einfache Orientierungshilfe in diesem ‚Macht-Dickicht‘ kann die folgende Klassifizierung ihrer wichtigsten Aspekte liefern.

    1.1. Verknüpfung von Wissen und Macht

    Der Ausdruck „Wissen ist Macht“ hat sich im Laufe der Jahrhunderte etabliert und wird oft so interpretiert, dass jemand, der viel weiß, auch großen Einfluss besitzt und anderen überlegen ist. Diese Vorstellung hat nicht immer eine positive Konnotation: Je mehr man über eine Person weiß, desto mehr Kontrolle kann man über sie ausüben und ihre Schwächen ausnutzen.

    In Foucaults Analyse ist das Wissen selbst ein Instrument der Macht, sowohl auf Makro- als auch auf Mikroebene. Es ist nicht neutral, sondern immer auch mit Machtprozessen verknüpft, die gesellschaftliche Strukturen und individuelle Lebensläufe tiefgreifend beeinflussen. Diejenigen, die über Wissen verfügen oder die Kontrolle darüber ausüben, haben auch Macht über andere.

    Wissen beinhaltet das Verstehen von Mustern, Zusammenhängen und Bedeutungen. Wissen entsteht, wenn Informationen analysiert, verknüpft und in einem verständlichen und nützlichen Rahmen interpretiert werden. Informationen entstehen aus Daten, wenn die letzten in einen Kontext gestellt und interpretiert werden. Daten wiederum sind Rohinformationen, die gesammelt werden können.

    Die Menge der verfügbaren Daten kann sicherlich die Möglichkeiten zur Gewinnung von Wissen erweitern, jedoch führt nicht die bloße Vermehrung von Daten automatisch zu mehr Wissen. Vielmehr kommt es darauf an, wie Daten gesammelt, analysiert, interpretiert und in einen nützlichen Kontext gestellt werden. Die Qualität der Daten, die Methoden der Analyse und die Fähigkeit, Informationen sinnvoll zu synthetisieren und zu interpretieren, spielen eine entscheidende Rolle bei der Transformation von Daten zu Wissen.

    Die Verknüpfung von Wissen und Macht ist eine zentrale treibende Kraft der Digitalisierung moderner Gesellschaften. Mit der Digitalisierung werden riesige Mengen an Daten (Big Data) generiert, gesammelt und analysiert. Big Data umfasst Informationen aus verschiedenen Quellen wie sozialen Medien, Sensoren, Transaktionen, medizinischen Aufzeichnungen und mehr. Regierungen und Unternehmen nutzen Big Data und fortschrittliche Analysetechniken, um umfangreiche Informationen über die Bevölkerung zu sammeln, zu analysieren und zu interpretieren. Diese Daten enthalten oft persönliche Informationen wie demografische Daten, Verhaltensmuster, Konsumverhalten, Gesundheitsdaten und soziale Interaktionen.

    Um Erkenntnisse aus diesen Analysen zu gewinnen, wird zunehmend künstliche Intelligenz (KI) eingesetzt. KI umfasst Technologien, die es Computern ermöglichen, Aufgaben zu erledigen, die normalerweise menschliche Intelligenz erfordern würden. Durch den Einsatz von Maschinellem Lernen (ML), einem Teilgebiet der KI, das sich auf Algorithmen und Modelle konzentriert, die es Computern ermöglichen, aus Daten zu lernen und Vorhersagen zu treffen, werden prädiktive Modelle entwickelt, die zukünftige Ereignisse prognostizieren können.

    Die Kombination aus Big Data, künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML) bietet Regierungen und Unternehmen neue Werkzeuge. Sie können damit Trends erkennen, Risikobewertungen und prädiktive (vorausschauende) Analysen durchführen, Überwachungsprogramme umsetzen, Interventionen planen, Ressourcen zuteilen, gesellschaftliche Prozesse steuern, fundierte Entscheidungen treffen und letztlich Macht ausüben.

    Die „Verknüpfung von Wissen und Macht“ ist allgegenwärtig und omnipräsent.

    Regierungen und Unternehmen nutzen die gewonnenen Daten, um Überwachungs- und Kontrollmechanismen zu implementieren. Dies reicht von der staatlichen Überwachung zur Bekämpfung von Kriminalität und Terrorismus bis hin zur Nutzung durch Unternehmen, um Konsumverhalten zu beeinflussen und Marktanteile zu sichern.

    Durch Big-Data-Analyse und ML können prädiktive Analysen zur Bekämpfung von Epidemien, zur Steuerung von Verkehrsflüssen oder zur Planung städtischer Infrastruktur durchgeführt werden und auf dieser Basis politische Entscheidungen getroffen werden.

    Durch die Sammlung und Analyse von Gesundheitsdaten (elektronische Patientenakten, Gesundheits-Apps, genetische Daten) können Gesundheitsbehörden und -institutionen präzisere und effektivere Maßnahmen zur Gesundheitsvorsorge und -versorgung ergreifen. Diese Maßnahmen können auch zur Kontrolle und Steuerung von Gesundheitsverhalten (z. B. Impfkampagnen, Quarantänemaßnahmen usw.) genutzt werden.

    Im Bildungsbereich werden Daten über Schülerleistungen und -verhalten gesammelt und analysiert, um Bildungsstrategien zu entwickeln, die auf die individuellen Bedürfnisse der Schüler zugeschnitten sind. Dies beeinflusst nicht nur die Bildungspolitik, sondern auch die zukünftigen Möglichkeiten und Chancen der Schüler.

    Unternehmen nutzen Datenanalyse, um die Produktivität und Effizienz zu steigern, Arbeitsprozesse zu optimieren und das Verhalten der Arbeitnehmer zu überwachen und zu steuern.

    Plattformen wie Facebook, Google und Amazon sammeln umfangreiche Daten über ihre Nutzer und nutzen diese, um personalisierte Inhalte und Werbung bereitzustellen, die das Verhalten der Nutzer beeinflussen und steuern. Diese Plattformen besitzen immense Macht, da sie über das Wissen verfügen, das aus den Daten ihrer Milliarden von Nutzern gewonnen wird. Sie können öffentliche Meinungen formen, Kaufentscheidungen beeinflussen und sogar politische Bewegungen fördern oder behindern. Als zentraler Aspekt der Gouvernementalität wird die Verknüpfung von Wissen und Macht durch Smart Governance in die Praxis umgesetzt.

    1.2. Biopolitik

    Ein wesentlicher Bestandteil der Gouvernementalität ist die Biopolitik, die sich mit der gesamten Verwaltung der Bevölkerung durch staatliche und andere Institutionen befasst. Sie umfasst daher viele Aspekte des menschlichen Verhaltens und sozialen Lebens. Dies schließt Maßnahmen zur Gesundheitsfürsorge, Sozialpolitik und Bevölkerungsstatistik und andere staatliche Interventionen ein, die das Leben und das Wohlbefinden der Bevölkerung betreffen. Die Biopolitik umfasst weiterhin wichtige Bereiche wie Reproduktion und Familienpolitik, Ernährung und Konsum, Bildung und Erziehung, Arbeit und Beschäftigung, Umweltschutz und Nachhaltigkeit, Sicherheit und Überwachung, Migration und Staatsbürgerschaft, Sexualität und Geschlechterpolitik.

    Durch die Einführung von Gesetzen, Richtlinien und Standards verwaltet und reguliert die Biopolitik das Leben der gesamten Bevölkerung in all seinen Aspekten. Mit diesen umfassenden Maßnahmen zielt die Biopolitik darauf ab, das Verhalten der Bevölkerung zu steuern und bestimmte gesellschaftliche Ziele zu erreichen.

    Hier sind ein paar konkrete Beispiele:

    Im Bereich der Gesundheitsführsorge gibt es in vielen Ländern Gesetze, die bestimmte Impfungen vorschreiben, um den Ausbruch und die Verbreitung von Infektionskrankheiten zu verhindern (z. B. das Masernschutzgesetz, das eine Masernimpfpflicht für Kinder in Kitas und Schulen sowie für Mitarbeiter in medizinischen Einrichtungen und Gemeinschaftseinrichtungen vorsieht.)

    Andere Gesetze und Maßnahmen dienen der Kontrolle und Eindämmung von Epidemien (z. B. das Infektionsschutzgesetz (IfSG) in Deutschland, das Maßnahmen zur Verhütung und Bekämpfung von Infektionskrankheiten beim Menschen regelt und Quarantänemaßnahmen sowie Meldepflichten festlegt).

    Durch Schulpflicht, Lehrpläne und Bildungsstandards werden die Bildungssysteme genutzt, um Wissen und Fähigkeiten zu vermitteln, aber auch, um soziale Normen und Werte zu fördern, die für die Stabilität und den Fortschritt der Gesellschaft als wichtig erachtet werden.

    Durch Richtlinien zur Lebensmittelproduktion, Ernährungsstandards oder Programme zur Bekämpfung von Fettleibigkeit wird die Ernährung und des Konsums reguliert. Damit können Regierungen die Gesundheit und das Verhalten der Bevölkerung beeinflussen, um bestimmte gesundheitliche oder wirtschaftliche Ziele zu erreichen.

    Durch Umweltgesetze und -standards können Regierungen das Verhalten von Individuen und Unternehmen steuern, um langfristige ökologische Ziele zu erreichen.

    Durch Einwanderungsgesetze kann die Migration reguliert und die Bestimmung der Staatsbürgerschaft sowie die demografische Zusammensetzung und die kulturelle Dynamik innerhalb eines Staates beeinflusst werden.

    Gesetze zur Gleichstellung, LGBT-Rechte und Sexualerziehung, die sexuelle Orientierung und Geschlechtsidentität betreffen, haben tiefgreifende Auswirkungen auf die sozialen Normen in der Gesellschaft.

    usw.

    Durch die fortschreitende Digitalisierung von fast allen Aspekten des gesellschaftlichen Lebens werden immer neue Begriffe wie Smart Health, Smart Cities, Smart Economy usw. definiert. Die Macht, die durch Wissen entsteht, wird durch biopolitische Maßnahmen konkret und spürbar in der täglichen Regierungsführung und Verwaltung umgesetzt.

    Die Verwirklichung der biopolitischen Strategien und Ziele erfordert entsprechende Infrastruktur und Mechanismen. Und so kommen wir zu den so genannten Dispositiven der Macht.  

    1.3. Dispositive der Macht

    Dispositive sind Netzwerke aus verschiedenen Elementen wie Institutionen, Gesetzen, Vorschriften, administrativen Maßnahmen und wissenschaftlichen Diskursen, die zusammenarbeiten, um bestimmte gesellschaftliche Ziele zu erreichen. Diese Netzwerke schaffen und implementieren die Rahmenbedingungen, innerhalb derer Macht ausgeübt wird.

    Biopolitik operiert innerhalb und durch die Dispositive der Macht. Die Netzwerke, die die Dispositive bilden, sind die Strukturen, durch die biopolitische Strategien implementiert werden. Zum Beispiel nutzt die Biopolitik Institutionen wie Krankenhäuser, Sozialeinrichtungen, Schulen, Medien, Unternehmen in allen Industriebereichen, und Gefängnisse, die alle Teile von Dispositiven der Macht sind.

    Dispositive der Macht stellen die Mittel und Mechanismen dar, durch die biopolitische Maßnahmen koordiniert und umgesetzt werden. Ein Dispositiv zur öffentlichen Gesundheit kann Krankenhäuser, Gesundheitsgesetze, Impfkampagnen und medizinische Forschung umfassen, die alle zusammenarbeiten, um die gesundheitlichen Ziele der Biopolitik zu erreichen.

    Durch Dispositive der Macht wird die Normierung und Kontrolle von Bevölkerungen ermöglicht. Die Biopolitik zielt darauf ab, bestimmte Normen und Verhaltensweisen zu fördern, und die Dispositive schaffen die Rahmenbedingungen, innerhalb derer diese Normen und Verhaltensweisen als „normal“ und „wünschenswert“ etabliert werden. Dispositive integrieren verschiedene Elemente der Gesellschaft und schaffen eine Umgebung, in der bestimmte Verhaltensweisen gefördert und andere entmutigt werden.

    Dadurch wird das Verhalten der Menschen auf subtile und oft unsichtbare Weise geformt und gelenkt. Anstatt offener Zwangsmaßnahmen nutzen die Dispositive Wissenssysteme, Diskurse und institutionelle Praktiken, um das Verhalten der Menschen zu beeinflussen.

    Die praktische Umsetzung sieht meistens wie folgt aus:

    Gezielt organisierte Sammlungen von Wissen und Informationen in Form von wissenschaftlichen Studien und Nachrichtenberichten können die Grundlagen liefern, auf denen Menschen ihre Ansichten und Entscheidungen aufbauen. (Wenn Menschen durch wissenschaftliche Studien informiert werden, dass Impfungen Krankheiten verhindern können, sind sie eher bereit, sich impfen zu lassen.)

    Diese können mit Gesprächen und Diskussionen in der Gesellschaft über bestimmte Themen kombiniert werden. Diese Gespräche finden in den Medien, in der Politik und im Alltag statt. Diese Diskurse formen die Meinungen und Einstellungen der Menschen. (Die Art und Weise, wie Medien Themen darstellen, beeinflusst die öffentliche Meinung. Wenn Medien häufig über die Gefahren des Klimawandels berichten, steigt das Bewusstsein in der Bevölkerung und Menschen sind eher bereit, umweltfreundliche Entscheidungen zu treffen, wie das Reduzieren von Plastikmüll oder das Nutzen öffentlicher Verkehrsmittel.)

    In den meisten Fällen führen diese Aktionen zu der Einführung von Regeln und Normen, an die sich Menschen halten müssen. (Durch die Implementierung von Impfprogrammen und präventiven Gesundheitsuntersuchungen in Krankenhäusern und Kliniken wird die Bevölkerung regelmäßig zur Vorsorgeuntersuchung und Impfung angehalten.)

    Smart Governance kann als eine moderne Ausdrucksform der Dispositive der Macht betrachtet werden, die traditionelle Konzepte der Regulierung, Normierung und Überwachung durch modernste Technologien und Datenanalysen erweitert und vertieft.

    Ein Dispositiv kann Disziplinarmacht als eine der Methoden der Machtausübung miteinbeziehen.

    1.4. Disziplinarmacht

    Während Biopolitik sich auf die Verwaltung von Bevölkerungen konzentriert, fokussiert sich die Disziplinarmacht auf die Regulierung von Individuen. Beide Machtformen haben das Ziel, das Verhalten der Menschen zu steuern und zu optimieren. Während Biopolitik auf der Makroebene agiert, indem sie die Bedingungen und Lebensumstände der gesamten Bevölkerung reguliert, greift die Disziplinarmacht auf der Mikroebene ein, indem sie die Körper und Verhaltensweisen von Individuen formt. Beide Formen der Macht ergänzen sich und schaffen ein umfassendes System der sozialen Kontrolle.

    Disziplinarmacht wird durch Überwachung, Normsetzung, Bestrafung und Belohnung, Ausbildung und Training ausgeübt. Sie zielt darauf ab, Individuen zu disziplinieren, ihre Körper und Verhaltensweisen zu normieren und sie produktiv zu machen.

    Die meisten von Ihnen werden sicherlich zunächst an Gefängnisse und Strafvollzug denken. In der Tat setzt das Strafrechtssystem in demokratischen Gesellschaften auf Disziplinarmacht, um normwidriges Verhalten zu sanktionieren und zu korrigieren. Gefängnisse und Strafanstalten sind Einrichtungen, in denen Überwachung, Bestrafung und Rehabilitation eine zentrale Rolle spielen.

    Aber die meisten von uns werden mit der Disziplinarmacht wesentlich häufiger konfrontiert, als sie denken.

    Schulen sind ein klassisches Beispiel für Institutionen, die Disziplinarmacht ausüben. Durch Lehrpläne, Klassenregeln, Prüfungen und Überwachungssysteme werden Schülerinnen und Schüler dazu angehalten, normkonformes Verhalten zu zeigen und bestimmte Leistungsstandards zu erreichen.

    Arbeitgeber nutzen Disziplinarmacht, um das Verhalten ihrer Angestellten zu kontrollieren und zu lenken. Durch Arbeitsverträge, Mitarbeiterbewertungen, Überwachung am Arbeitsplatz und Belohnungs- bzw. Bestrafungssysteme können Arbeitgeber die Produktivität und Konformität ihrer Mitarbeiter beeinflussen.

    In demokratischen Gesellschaften gibt es verschiedene soziale Kontrollmechanismen, die Disziplinarmacht ausüben. Dazu gehören soziale Normen, moralische Erwartungen, kulturelle Werte und Peer-Druck, die das Verhalten der Menschen beeinflussen und regulieren. Peer-Druck bezieht sich auf den Einfluss, den Gleichaltrige oder ‚Peers‘ auf das Verhalten, die Einstellungen oder die Entscheidungen einer Person ausüben können. Dieser Einfluss entsteht aus dem Wunsch, von der Gruppe akzeptiert, gemocht oder respektiert zu werden.

    Auch hier spielen die Medien eine wichtige Rolle bei der Ausübung von Disziplinarmacht. Durch gezielte Berichterstattung, Werbung und Unterhaltungsformate können sie bestimmte Normen, Werte und Verhaltensweisen propagieren, fördern und unterstützen und dadurch moralische Erwartungen oder den Peer-Druck auf Individuen in die eine oder andere Richtung lenken.

    Abschließend ist es wichtig zu erkennen, dass das Bestrafungs- und Belohnungssystem eine Wirkung auf das psychologische Verhalten hat. Es verändert die Regeln des Systems von etwas, das man befolgen muss, zu etwas, das man befolgen möchte, weil es im eigenen Interesse liegt, dies zu tun. Diese Philosophie bildet die Grundlage für die „Technologien der Selbstführung“, die auf Motivationssysteme setzen, um gewünschtes Verhalten zu fördern. Indem sie positive und negative Anreize geschickt kombinieren, unterstützen sie die Nutzer dabei, sich selbst zu steuern und persönliche sowie gesellschaftliche Ziele zu erreichen.

    1.5. Technologien der Selbstführung

    Technologien der Selbstführung, oder „Technologien des Selbst“, beziehen sich auf die Methoden und Praktiken, die Individuen anwenden, um sich selbst zu regulieren, zu formen und zu kontrollieren. Dies kann durch Selbstdisziplin, Reflexion, Selbstverbesserung und andere persönliche Strategien erfolgen mit dem Ziel, bestimmter Normen gerecht zu werden.

    Die durch ‚Biopolitik‘ und ‚Dispositive der Macht‘ etablierten gesetzlichen und normativen Rahmenbedingungen für die Steuerung und Lenkung auf kollektiver Ebene beeinflussen das Verhalten und das Selbstbild des Individuums. Durch Technologien der Selbstführung verinnerlichen Menschen diese Normen. Dadurch passen sie ihr Verhalten freiwillig und bewusst an, weil sie die Regeln als nützlich und vorteilhaft für sich selbst empfinden.

    Fitness-Apps setzen auf positive Verstärkung durch Belohnungen und Herausforderungen, um Nutzer zur regelmäßigen Bewegung zu motivieren. Lernplattformen bieten Belohnungen für abgeschlossene Module oder bestandene Tests, wodurch die Motivation gesteigert wird, kontinuierlich zu lernen. Finanz-Apps bieten Anreize für das Einhalten von Budgets und das Sparen von Geld, während sie gleichzeitig negative Konsequenzen für übermäßige Ausgaben aufzeigen. Selbstmanagement-Methoden wie das Eisenhower-Prinzip oder die Pomodoro-Technik regen die Menschen dazu an, ihre Zeit effizient zu nutzen und sich auf wichtige Aufgaben zu konzentrieren.

    So werden externe Vorgaben zu internen Motivationen.

    1.6. Widerstand und Gegenmacht

    Manche von Ihnen könnten von der theoretischen Einteilung der wichtigsten Aspekte der Gouvernementalität irritiert oder beunruhigt sein. Aber nach Foucault sind Macht und Widerstand eng miteinander verbunden. Wo Macht existiert, besteht auch die Möglichkeit des Widerstands. Widerstand entsteht nicht von außerhalb oder unabhängig von der Macht, sondern ist Teil der Beziehung zwischen den Machtakteuren selbst.

    „Wo es Macht gibt, gibt es Widerstand. Und doch oder vielmehr gerade deswegen liegt der Widerstand niemals außerhalb der Macht.“
    Michel Foucault und die Disziplinarmacht

    Machtverhältnisse können nur bestehen, wenn es Widerstandspunkte gibt, die sich ihnen entgegenstellen. Widerstand ist immer Teil des Netzwerks der Macht und dient der Macht als Gegner, Zielscheibe, Unterstützung oder Einfallstor. Es gibt nicht nur einen einzigen großen Widerstandsort, sondern viele einzelne Widerstände, die jedoch nicht notwendigerweise die Macht insgesamt überwinden. Sobald es also Macht gibt, besteht die Möglichkeit des Widerstands. Widerstand kommt nicht vor oder nach der Macht, sondern beide existieren gleichzeitig und bedingen einander.

    Diese Überlegungen widerspiegeln die Dynamik zwischen Konformität und Nonkonformität in der Gesellschaft. Sie verdeutlicht, dass eine kleine Gruppe von nonkonformen Individuen eine bedeutende Rolle in der Förderung von Veränderungen und Innovationen spielt, während die konforme Mehrheit zur Stabilität und Ordnung beiträgt.

    Konformität und Nonkonformität sind keine starren Kategorien, sondern eher dynamische Konzepte, die stark vom sozialen Kontext und den individuellen Umständen abhängen. Was in einer Situation als konform oder nonkonform betrachtet wird, kann in einer anderen Situation anders sein. Diese Begriffe existieren auf einem Kontinuum, und das Verhalten eines Menschen kann sich je nach den Umständen zwischen diesen beiden Polen bewegen.

    Foucault betrachtete den Widerstand als spezifische Kämpfe gegen die alltäglichen Ausübungen von Macht, nicht als Kampf gegen die Existenz von Macht insgesamt. Da Machtverhältnisse tief in den gesellschaftlichen Strukturen verankert sind und nicht einfach beseitigt werden können, können sie nicht radikal abgeschafft werden.

    Die Interaktion zwischen Governance und Widerstand ist ein dynamischer und komplexer Prozess, der auf verschiedene Weisen abläuft.

    Wenn Regierungen auf Widerstand stoßen, können sie Kompromisse eingehen oder Zugeständnisse machen, um ihre Maßnahmen akzeptabler zu machen und den Widerstand zu verringern. Indem sie die Anführer des Widerstands einbeziehen oder bestimmte Forderungen in ihre Programme aufnehmen, können Regierungen den Widerstand nicht nur abschwächen, sondern ihn auch in ihre eigene Strategie integrieren.

    Durch bestimmte Diskurse können Regierungen ihre Maßnahmen als notwendig oder vorteilhaft darstellen, um die Akzeptanz in der Bevölkerung zu erhöhen. Gleichzeitig können sie Widerstandsbewegungen als illegitim, irrational oder gefährlich darstellen, um deren Einfluss zu mindern.

    Moderne Technologien wie Big Data, Künstliche Intelligenz (KI) und Maschinelles Lernen (ML) bieten Regierungen neue Möglichkeiten, Widerstand zu überwachen und zu analysieren. Durch die Datenanalyse können sie potenzielle Widerstandsbewegungen frühzeitig erkennen und entsprechend reagieren. Mithilfe prädiktiver Modelle können Regierungen mögliche Widerstandsmuster vorhersagen und proaktive Maßnahmen ergreifen.

    Widerstand und Gegenmacht wirken als Feedback-Mechanismen innerhalb der Machtstrukturen. Sie zeigen Regierungen und Institutionen, wo Spannungen und Unzufriedenheiten bestehen, und können zu Anpassungen in den Regierungsstrategien führen. Wiederholter und bedeutender Widerstand kann Regierungen zwingen, politische Reformen durchzuführen oder bestehende Maßnahmen zu überdenken. Widerstandsbewegungen können wichtige öffentliche Debatten anstoßen, die zur Bildung neuer Normen und Werte beitragen, welche dann in die Regierungsstrategien einfließen.

    Die ständige Interaktion zwischen Macht und Widerstand kann zur Entstehung neuer Machtverhältnisse sowie zur Weiterentwicklung und Veränderung der Regierungspraktiken und -technologien führen.

    1.7. Fazit

    Indem man Foucaults Idee der Gouvernementalität genauer betrachtet, kann man besser verstehen, wie Macht in einer Gesellschaft funktioniert und wie sie die Regierungsstrukturen beeinflusst. Das hilft dabei, die komplizierten und vielfältigen Mechanismen der Regierungsführung zu erkennen und genauer zu untersuchen.

    Während die Gouvernementalität die theoretischen Aspekte der Macht in einer Gesellschaft analysiert, betrifft Governance die konkreten Methoden und Prozesse, die diese Macht in der Praxis anwenden und verwalten. Smart Governance ist eine Fortentwicklung von Governance, die moderne Technologien und digitale Möglichkeiten nutzt, um den aktuellen Anforderungen gerecht zu werden.

    2. Corona-Krise: Governance und Biopolitik im Ausnahmezustand

    Globale Krisen stellen Regierungen oft vor enorme Herausforderungen, die eine schnelle und gut koordinierte Reaktion erfordern. In solchen Situationen wird die Bedeutung von Smart Governance besonders deutlich.

    Ein herausragendes Beispiel dafür ist die Corona-Pandemie. Die Analyse der politischen Maßnahmen im Zusammenhang mit COVID-19 bietet ein konkretes Beispiel, wie Smart Governance-Prinzipien angewendet werden. Dabei werden die theoretischen Aspekte der Gouvernementalität in die Praxis umgesetzt und validiert.

    Biopolitik verwaltet und reguliert das Leben der gesamten Bevölkerung in all seinen Aspekten. Deshalb wird Krankheit nicht mehr als ein individuelles Problem gesehen, sondern als eine Herausforderung für die Gemeinschaft. Beim Umgang mit dem Coronavirus geht es weniger um die Behandlung einzelner Personen, sondern um die Regulierung der gesamten Bevölkerung.
    [Foucault II: Der Virus und die Biopolitik/-macht]

    Dabei gilt es, Informationen und Statistiken zu erheben und zu zentralisieren, Relationen und Gefahrenabschätzungen zu definieren und daraus biopolitische Regelungen abzuleiten, so z. B. Hygienemaßnahmen, Quarantänemaßnahmen, Vorsorgeuntersuchungen, Medikation usw. Die Regelungen für den Einzelnen ergeben sich aus diesen umfassenderen Maßnahmen, die wissenschaftlich durch Experten, Wissenschaftler und Fachleute begründet werden. Sie stellen die Normen dar, an der sich jedes Individuum zu messen hat, um als integraler Bestandteil der Bevölkerung akzeptiert zu werden.
    [Über die (Un)Möglichkeiten einer demokratischen Biopolitik]

    Die biopolitische Fürsorge folgt einer Solidaritätsdoktrin. Dabei konzentriert man sich auf das Narrativ, dass die (hygienische oder biopsychosoziale) Sorge um den Anderen auch die eigene Sicherheit erhöht und das eigene Leben sowie das der gesamten Menschheit verbessert. Aus der Sicht des Individuums erscheint diese Regierungstechnologie „wie ein guter Hirte“, dessen Aufgabe es ist, „über die man wacht, Gutes zu tun“.
    [Die Covid-19-Pandemie aus biopolitischer Perspektive nach Foucault, S. 217]

    Mit diesem Hintergrundwissen betrachten wir nun die historische Fernsehansprache der ehemaligen Bundeskanzlerin Angela Merkel, die am 18. März 2020 stattfand. In dieser Ansprache wandte sich Merkel an die deutsche Bevölkerung, um über die ernste Lage der COVID-19-Pandemie zu sprechen und die Maßnahmen der Regierung zur Eindämmung des Virus vorzustellen.

    Die Rede der Bundeskanzlerin Angela Merkel kann als Lehrbuchbeispiel dienen, wie Dispositive der Macht, die Verknüpfung von Wissen und Macht sowie Biopolitik in der Praxis ineinandergreifen:

    „Millionen von Ihnen können nicht zur Arbeit, Ihre Kinder können nicht zur Schule oder in die Kita, Theater und Kinos und Geschäfte sind geschlossen, und, was vielleicht das Schwerste ist: uns allen fehlen die Begegnungen, die sonst selbstverständlich sind. Natürlich ist jeder von uns in solch einer Situation voller Fragen und voller Sorgen, wie es weitergeht.“

    „Ich wende mich heute auf diesem ungewöhnlichen Weg an Sie, weil ich Ihnen sagen will, was mich als Bundeskanzlerin und alle meine Kollegen in der Bundesregierung in dieser Situation leitet. Das gehört zu einer offenen Demokratie: dass wir die politischen Entscheidungen auch transparent machen und erläutern. Dass wir unser Handeln möglichst gut begründen und kommunizieren, damit es nachvollziehbar wird.“

    „Es ist ernst. Nehmen Sie es auch ernst. Seit der Deutschen Einheit, nein, seit dem Zweiten Weltkrieg gab es keine Herausforderung an unser Land mehr, bei der es so sehr auf unser gemeinsames solidarisches Handeln ankommt.“

    „Ich möchte Ihnen erklären, wo wir aktuell stehen in der Epidemie, was die Bundesregierung und die staatlichen Ebenen tun, um alle in unserer Gemeinschaft zu schützen und den ökonomischen, sozialen, kulturellen Schaden zu begrenzen. Aber ich möchte Ihnen auch vermitteln, warum es Sie dafür braucht, und was jeder und jede Einzelne dazu beitragen kann.“

    „Zur Epidemie – und alles was ich Ihnen dazu sage, kommt aus den ständigen Beratungen der Bundesregierung mit den Experten des Robert-Koch-Instituts und anderen Wissenschaftlern und Virologen: Es wird weltweit unter Hochdruck geforscht, aber noch gibt es weder eine Therapie gegen das Coronavirus noch einen Impfstoff.“

    „Aber alles, was Menschen gefährden könnte, alles, was dem Einzelnen, aber auch der Gemeinschaft schaden könnte, das müssen wir jetzt reduzieren.“

    „Jetzt zu dem, was mir heute das Dringendste ist: Alle staatlichen Maßnahmen gingen ins Leere, wenn wir nicht das wirksamste Mittel gegen die zu schnelle Ausbreitung des Virus einsetzen würden: Und das sind wir selbst. So wie unterschiedslos jeder von uns von dem Virus betroffen sein kann, so muss jetzt auch jede und jeder helfen. Zuallererst, indem wir ernst nehmen, worum es heute geht. Nicht in Panik verfallen, aber auch nicht einen Moment denken, auf ihn oder sie komme es doch nicht wirklich an. Niemand ist verzichtbar. Alle zählen, es braucht unser aller Anstrengung.“

    „Der Rat der Virologen ist ja eindeutig: Kein Handschlag mehr, gründlich und oft die Hände waschen, mindestens eineinhalb Meter Abstand zum Nächsten und am besten kaum noch Kontakte zu den ganz Alten, weil sie eben besonders gefährdet sind.“

    „Ich weiß, wie schwer das ist, was da von uns verlangt wird. Wir möchten, gerade in Zeiten der Not, einander nah sein. Wir kennen Zuwendung als körperliche Nähe oder Berührung. Doch im Augenblick ist leider das Gegenteil richtig.  Und das müssen wirklich alle begreifen: Im Moment ist nur Abstand Ausdruck von Fürsorge.“

    „Wer unnötige Begegnungen vermeidet, hilft allen, die sich in den Krankenhäusern um täglich mehr Fälle kümmern müssen. So retten wir Leben. Das wird für viele schwer, und auch darauf wird es ankommen: niemanden allein zu lassen, sich um die zu kümmern, die Zuspruch und Zuversicht brauchen. Wir werden als Familien und als Gesellschaft andere Formen finden, einander beizustehen.“

    „Dies ist eine dynamische Situation, und wir werden in ihr lernfähig bleiben, um jederzeit umdenken und mit anderen Instrumenten reagieren zu können. Auch das werden wir dann erklären.“

    „Deswegen bitte ich Sie: Glauben Sie keinen Gerüchten, sondern nur den offiziellen Mitteilungen, die wir immer auch in viele Sprachen übersetzen lassen.“

    „Wir sind eine Demokratie. Wir leben nicht von Zwang, sondern von geteiltem Wissen und Mitwirkung. Dies ist eine historische Aufgabe und sie ist nur gemeinsam zu bewältigen.“ „Das heißt: Es wird nicht nur, aber auch, davon abhängen, wie diszipliniert jeder und jede die Regeln befolgt und umsetzt.“

    Der Aufruf, den wissenschaftlich begründeten offiziellen Mitteilungen zu folgen und nicht auf Gerüchte zu hören, zeigt, dass man bei der Umsetzung der Solidaritätsdoktrin auch mit Widerstand rechnet. Merkels Rede verdeutlicht, wie die Regierung versucht, potenziellen Widerstand und die Verbreitung von Desinformation zu bekämpfen, indem sie die Kontrolle über den Informationsfluss übernimmt und das Vertrauen in offizielle Kanäle stärkt.

    Die letzten zwei zitierten Absätze aktivieren die sozialen Kontrollmechanismen zur Ausübung von Disziplinarmacht in demokratischen Gesellschaften. Die in der Rede neu definierte soziale Norm, kombiniert mit moralischen Erwartungen und dem Druck durch Gleichaltrige (Peer-Druck), soll das Verhalten der Menschen beeinflussen und regulieren.

    In den darauffolgenden Monaten werden die sogenannten AHA+A-Regeln nahtlos durch die 3G-Regeln ergänzt.

    AHA+A
    3-G-Regelung

    Als Ergebnis erhält man eine „Hierarchie“ von Individuen mit unterschiedlichen Fähigkeiten. Der eine entspricht einer bestimmten Norm, der andere weicht davon ab. Den einen kann man bessern, den anderen nicht. Den einen kann man mit einem bestimmten Mittel bessern, beim anderen muss man andere Mittel einsetzen. Diese Einordnung der Individuen nach dem Grad ihrer Normalität ist eines der großen Machtinstrumente der heutigen Gesellschaft.
    [Die Covid-19-Pandemie aus biopolitischer Perspektive nach Foucault, S. 218]

    Daraus ergeben sich zwei komplementäre biopolitische Maßnahmen:
    a) die Förderung derjenigen, die als förderungswürdig gelten,
    b) die Ausgrenzung derjenigen, die als nicht förderungswürdig angesehen werden.
    [Die Covid-19-Pandemie aus biopolitischer Perspektive nach Foucault, S. 223]

    Während einer Extremsituation wie einer Pandemie treten zwei wesentliche biopolitische Regierungstechniken in den Vordergrund:

    a) „biopolitische Fürsorge im Rahmen einer Solidaritätsdoktrin“
    b) „Staatsrassismus“

    Der „Staatsrassismus“ konzentriert sich auf die Beseitigung biologischer Gefahren, um die Bevölkerung zu stärken. Die implizite Logik besagt: Je mehr Individuen, die nicht der festgelegten Norm (in diesem Fall, geimpft zu sein) entsprechen, eliminiert werden, desto weniger Degenerierte gibt es in der Bevölkerung. Dadurch wird die gesamte Menschheit besser, stärker und widerstandsfähiger.
    [Die Covid-19-Pandemie aus biopolitischer Perspektive nach Foucault, S. 224]

    Vor diesem Hintergrund erscheinen die unten aufgeführten Schlagzeilen in einem anderen Licht.

    „Corona-Impfung ist eine Christen-Pflicht“
    Manfred Lütz, Arzt und Theologe

    „Der einfachste Weg ist, sich impfen zu lassen. Auch der gesündeste. Ich möchte schon alleine deshalb keine Impfpassfälscher als Mitarbeiter haben, weil ich nicht so gerne Spinner beschäftige. Wer weiß, an welchen Blödsinn die sonst noch alles glauben.”
    Jürgen Kaube, Herausgeber FAZ, Journalist

    „Impfgegner sind Staatsfeinde”
    Udo Knapp, Politologe und Redakteur taz

    „Coronaleugnerinnen und Coronaleugner müssten konsequent dem rechtsextremistischen Spektrum zugeordnet werden”
    Georg Maier (SPD), Thüringens Innenminister

    „Kassenärzte fordern Ausschluss Ungeimpfter von Ärzten und Psychotherapie”
    Kassenärztliche Vereinigung Baden-Württemberg

    „Der Zutritt in den Laden [Lebensmittelausgabe für Bedürftige] ist nur für nachweislich geimpfte oder genesene Personen (2G) erlaubt”
    Tante Emma Rodgau e.V., Lebensmittelausgabe für Bedürftige

    Es handelt sich nicht um zufällige und voneinander unabhängige Ereignisse, die auf inkompetente oder korrupte Individuen zurückzuführen sind. Vielmehr folgt dieses Szenario einem systematischen Plan, der wie nach einem Lehrbuch abläuft.

    Unter diesen Bedingungen wird Moral gewissermaßen rechtlich verankert und folglich vom Staat übernommen. Das Recht verliert dabei seine rationale Grundlage und wird stattdessen auf Werthaltungen begründet. Man urteilt im Namen einer „Solidarität“.

    In seinem Werk Geburt schreibt Foucault: „Mit einer Hand muss die Freiheit hergestellt werden, aber dieselbe Handlung impliziert, dass man mit der Anderen Einschränkungen, Kontrollen, Zwänge, auf Drohungen gestützte Verpflichtungen usw. einführt“.
    [Die Covid-19-Pandemie aus biopolitischer Perspektive nach Foucault, S. 231-232]

    Die Governance im 20. und 21. Jahrhundert agiert zwischen zwei gegensätzlichen Polen: Auf der einen Seite stehen die dominierenden Machttechniken des Vorsorgestaates, auf der anderen Seite die passiven Machttechniken des Liberalismus. „Markt und Plan, unsichtbare oder sichtbare Hand, zentrale Steuerung oder Selbstorganisation“ – zwischen diesen Polen lassen sich die Versuche der Governance verorten, das menschliche Leben ökonomisch zu regieren.

    In der Vor-Corona-Zeit lenkte die Governance die liberale westliche Gesellschaft weitestgehend diskret und mit „unsichtbarer“ Hand. Die Regulierungsmechanismen (Normen) waren vorwiegend auf Selbstorganisation ausgerichtet. Der größte Teil der Bevölkerung galt im Sinne der Governance als „normal“ und „förderungswürdig“. Man fühlte sich wohl in der „Wohlfühlgesellschaft“ und genoss die freiheitlich-demokratische Grundordnung.

    Es sind dieselben Strukturen, Prozesse und Mechanismen, die die weltweite Pandemie ausriefen und in diesem Zusammenhang dominierende Machttechniken mehr oder weniger über Nacht zum Einsatz brachten. Die Regulierungsmechanismen (Normen) wurden um 180 Grad gedreht, und der Vorsorgestaat rückte in den Vordergrund. So wurde aus der Demokratie über Nacht eine „Demokratur“. Die Mehrheit der Bevölkerung passte sich den neuen Regulierungsnormen (The New Normal) an und galt nach wie vor als „normal“ und „förderungswürdig“.

    Jedoch hatte eine nicht zu vernachlässigende Minderheit aus unterschiedlichen Gründen zunehmend Probleme, die neuen Normen zu befolgen, und wurde im Sinne der Governance als „nicht förderungswürdig“ betrachtet. Diese Gruppe der Bevölkerung erfuhr gesellschaftliche Ausgrenzung und begann langsam, die Situation zu hinterfragen. Der Widerstand formierte sich. 

    Mit dieser biopolitischen Denklogik wird verständlich, wie Politiker, die jahrzehntelang überzeugte Verfechter der Demokratie waren, plötzlich zu fanatischen Unterstützern freiheitsraubender Maßnahmen „ohne rote Linien“ werden konnten. Dies erklärt auch die tiefe Spaltung in der Gesellschaft, die sogar Familien, Freundes- und Bekanntenkreise betrifft.

    Nachdem sich die Regulierungsnormen im Verlauf des Jahres 2023 im Zusammenhang mit der Pandemie verschoben hatten, wurden diejenigen, die zuvor ausgeschlossen waren, wieder als „normal“ eingestuft. Biopolitisch gesehen wechselt diese Gruppe vom „Ausgrenzungsmodus“ zum „Inklusionsmodus“. Es fühlt sich an, als würden verlorene Freiheiten und Rechte zurückkehren. Man hat das Gefühl, dass sich der Widerstand gelohnt hat und man seinen Platz in der Gesellschaft würdevoll zurückgewinnen kann. Um sicherzustellen, dass sich eine ähnliche Situation nie wiederholt, beginnt man, die Corona-Pandemie aufzuarbeiten, um die Verantwortlichen zur Rechenschaft zu ziehen.

    Dabei verdienen die so genannten RKI-Files besondere Aufmerksamkeit. Der Begriff „RKI-Files“ bezieht sich auf eine Sammlung von rund 2000 Seiten interner Protokolle des Corona-Krisenstabs des Robert Koch-Instituts (RKI), die durch eine gerichtliche Anordnung veröffentlicht wurden. Diese Dokumente enthalten detaillierte Aufzeichnungen über die Sitzungen und Entscheidungen, die während der Corona-Pandemie getroffen wurden. Sie helfen, die Maßnahmen und Reaktionen während der Pandemie zu verstehen und bieten eine Grundlage für die Aufarbeitung und Analyse der getroffenen Entscheidungen und deren Auswirkungen auf die Gesellschaft.

    Einerseits illustrieren diese Akten die Verknüpfung von Wissen und Macht als essentieller Aspekt der Gouvernementalität und zeigen, wie wissenschaftliche Erkenntnisse und politische Entscheidungen miteinander verflochten waren. Andererseits hat die Veröffentlichung dieser Protokolle für Aufsehen gesorgt, da sie deutlich zeigen, dass viele der Corona-Maßnahmen politisch und nicht wissenschaftlich motiviert waren.

    Zu den besonders kritisierten Maßnahmen gehören die Lockdowns und die Maskenpflicht. Es wurde aufgedeckt, dass das Robert-Koch-Institut (RKI) bereits wusste, dass Lockdowns und Maskenpflicht mehr Schaden als Nutzen bringen und es keine ausreichende wissenschaftliche Evidenz für eine generelle Maskenpflicht gab​. Es wurde anerkannt, dass die Wirksamkeit dieser Maßnahmen überschätzt oder falsch dargestellt wurde. Die Dokumente legen nahe, dass Entscheidungen von politischen Agenden beeinflusst wurden anstatt rein wissenschaftlichen Bewertungen zu folgen. [What do the RKI-Files really show?]

    Die Unterlagen zeigen, dass bereits im Februar 2021 Gesundheitsbehörden wussten, dass Impfungen im Gegensatz zu öffentlichen Aussagen zu dieser Zeit keine Infektionen verhindern. Der vorherrschende Narrativ legte nahe, dass Impfungen vor schwerer Erkrankung und Übertragung schützen würden, was sich später als fehlerhafte Annahme herausstellte. Trotz Kenntnis dieser Einschränkungen setzte die politische Erzählung weiterhin auf eine breite Impfkampagne mit Versprechungen umfassenden Schutzes.

    Es gab weiterhin Bedenken hinsichtlich der Nebenwirkungen und langfristigen Risiken der Impfstoffe, die nicht vollständig an die Öffentlichkeit kommuniziert wurden. Die Unterlagen weisen darauf hin, dass die potenziellen Risiken heruntergespielt wurden und der Schwerpunkt auf der Impfung als Hauptinstrument zur Bewältigung der Pandemie lag, ohne ausreichende Transparenz über mögliche negative Auswirkungen.

    Aus bisherigen Erfahrungen zu lernen und zukünftige Maßnahmen zu optimieren, ist ein zentrales Prinzip der Governance. Es zeigt die Bereitschaft, auf Kritik einzugehen, Prozesse zu hinterfragen und anzupassen. Dies stärkt nicht nur die Legitimität und das Vertrauen in staatliche Institutionen, sondern erhöht auch die Widerstandsfähigkeit der Gesellschaft gegenüber künftigen Krisen. Dies steht im Einklang mit Michel Foucaults Auffassung, dass Macht und Widerstand untrennbar miteinander verbunden sind.

    Die Entscheidung der Gerichte, die Veröffentlichung der ungeschwärzten RKI-Akten zuzulassen, kann als Schritt zu mehr Transparenz gesehen werden, möglicherweise beeinflusst durch öffentlichen Druck und die Notwendigkeit, Skepsis und Misstrauen zu begegnen. Falls jedoch keine politischen, personellen und rechtlichen Konsequenzen folgen, könnte dies als Versuch gewertet werden, die bestehenden Machtverhältnisse zu stabilisieren. Durch Transparenz ohne echte Veränderungen wird der Widerstand kanalisiert und die bestehende Ordnung legitimiert.

    Gleichzeitig könnte dies als Strategie betrachtet werden, den Widerstand zu neutralisieren, indem man ihn scheinbar ernst nimmt, jedoch seine Wirksamkeit untergräbt. Dies kann zu einer Resignation in bestimmten Bevölkerungsgruppen führen, da der Eindruck entsteht, dass Widerstand zwar zur Kenntnis genommen, aber nicht wirklich berücksichtigt wird.

    Bisherige Reaktionen von Medien wie dem ZDF, der Tagesschau oder Die WELT deuten darauf hin, dass primär versucht wird, Kritik und Widerstand zu kanalisieren und zu kontrollieren, indem Transparenz signalisiert wird, ohne jedoch substantielle Konsequenzen folgen zu lassen. Diese Vorgehensweise könnte als Taktik gesehen werden, das Vertrauen in die Governance zu bewahren, während die tatsächlichen Machtstrukturen unangetastet bleiben.

    Inwieweit der Umgang der Governance-Strukturen mit „Widerstand und Gegenmacht“ zu einer Änderung des Status Quo führen wird, wird die nahe Zukunft zeigen.

    Fazit:

    Die Analyse der Ereignisse während der Corona-Pandemie stellt einen Governance-Crashkurs dar, der alle Facetten der Gouvernementalität umfasst – von der Verbindung von Wissen und Macht über Macht-Dispositive und Biopolitik bis hin zur Disziplinarmacht und dem Umgang mit Widerstand und Gegenmacht.

    Die Pandemie hat auch verdeutlicht, wie entscheidend und vorteilhaft digitale Technologien für effektive Regierungsführung in Krisensituationen sind. Sie fungierte als Katalysator, indem sie die Einführung und Anwendung von Smart-Governance-Praktiken beschleunigte. Aus diesem Grund kann die Pandemie als Schlüsselmoment verstanden werden, der die Entwicklung und Umsetzung von Smart Governance weltweit vorangetrieben hat.

    3. One-Health-Ansatz – Prävention durch kontinuierliche Governance

    Während die Debatten rund um die RKI-Files noch andauern, bahnt sich langsam das nächste Krisenereignis aus der Rubrik „Disease X“ an – die Vogelgrippe, die einen zoonotischen Hintergrund hat und von der WHO als Krankheit mit „Pandemiepotential“ eingestuft wird.

    Und dies bringt den sogenannten One-Health-Ansatz der WHO auf die Tagesordnung.

    Der WHO One-Health-Ansatz, der die Gesundheit von Menschen, Tieren und Umwelt als untrennbar miteinander verbunden betrachtet, hat weitreichende Auswirkungen auf die Governance. Dieser Ansatz verändert die Art und Weise, wie Regierungen, Organisationen und Institutionen Gesundheitsfragen angehen und darauf reagieren.

    One-Health

    Im Vergleich zu den Maßnahmen zur Bekämpfung der Corona-Pandemie ist der One-Health-Ansatz viel breiter ausgelegt. Er setzt intersektorale Zusammenarbeit sowohl auf nationaler als auch internationaler Ebene voraus und erfordert koordinierte Governance-Strukturen aus den Bereichen Gesundheitswesen, Veterinärwesen, Landwirtschaft, Nahrungsmittelproduktion, Umwelt u.a., die es ermöglichen, dass verschiedene Behörden und Organisationen effektiv zusammenarbeiten. Durch die Globalisierung der Governance-Strukturen muss sichergestellt werden, dass internationale Richtlinien und Standards harmonisiert und effektiv umgesetzt werden.

    Die Wissensbasis für die Definition von politischen Entscheidungen und Maßnahmen wird wesentlich komplexer und umfasst die Integration von Wissen und Methoden aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen (Epidemiologie, Tiermedizin, Agrar-, Lebensmittel-, Ernährungs-, Sozialwissenschaften u.a.).

    Die Integration von Umweltgesundheit in Gesundheitsstrategien erfordert vonder Governance, dass die ökologische Nachhaltigkeit zu einem zentralen Bestandteil der Gesundheitsstrategien wird.

    Der Fokus liegt auf Prävention statt Reaktion. Dies verändert die Governance, indem Ressourcen und Strategien stärker auf Prävention und Frühwarnsysteme ausgerichtet werden. Dies beinhaltet die Überwachung von Tier- und Umweltgesundheit sowie die Implementierung von Frühwarnsystemen in diesen Sektoren, um potenzielle Gesundheitsrisiken für Menschen frühzeitig zu identifizieren.

    Für die Umsetzung des One-Health-Ansatzes sind die Anpassung und Entwicklung neuer regulatorischer Rahmenbedingungen erforderlich, die die Schnittstellen zwischen menschlicher, tierischer und ökologischer Gesundheit berücksichtigen. Regierungen müssen neue Gesetze und Vorschriften erlassen, die diese integrativen Gesundheitsansätze unterstützen und sicherstellen, dass alle relevanten Sektoren effektiv zusammenarbeiten.

    Der One-Health-Ansatz wird stärker auf Smart Governance setzen als die Corona-Politik. Dies liegt daran, dass er eine umfassende, präventive und intersektorale Herangehensweise benötigt. Schlüsselkomponenten sind die kontinuierliche Sammlung und Analyse von Daten, die Integration verschiedener Governance-Strukturen sowie der Einsatz moderner Technologien zur Überwachung und Prävention. Diese Aspekte sind im One-Health-Ansatz besonders wichtig, da er von einer reaktiven Krisenreaktion zu einem stärker integrierten und präventiven Governance-Modell übergeht.

    Der One-Health-Ansatz bietet dadurch eine erweiterte Perspektive und umfassende Werkzeuge für politische Entscheidungsträger, um auf Gesundheitskrisen (Mensch/Tier/Umwelt) zu reagieren und gegebenenfalls Notstandsmaßnahmen zu ergreifen. Durch die Betonung präventiver Maßnahmen, koordinierter Reaktionen und internationaler Zusammenarbeit trägt der Ansatz dazu bei, die Resilienz gegenüber Gesundheitsrisiken zu stärken und die Auswirkungen von Krisen auf die Gesellschaft zu minimieren.

    Fazit:

    „Gefährliche Epidemien oder Pandemien besitzen folglich das Potential“, die biopolitische Transformation der Gesellschaft und „die von Foucault beschriebene Gouvernementalisierung des modernen Staates zu intensivieren, indem Maßnahmen gesetzt werden, die über infektionsepidemiologisch indizierte Schutzmaßnahmen mit dem Ziel der Eindämmung der epidemischen Krankheitsverbreitung klar hinausgehen“.
    [Die Covid-19-Pandemie aus biopolitischer Perspektive nach Foucault, S. 233]

    In seinen Arbeiten betont Foucault, dass „die Machttransformationen, die sich z. B. in Extremsituationen“ wie Seuchen oder Pandemien „entwickeln und verfestigten, nicht als Ausnahmefälle“ zu betrachten sind, „sondern als die Geburten und In-Kraft-Setzungen neuer allgemeingültiger und auch nach der Seuche weiter geltender Verhältnisse“. Es geht um das Entstehen und Verfestigen der neuen Machtparadigma und dessen Normalisierung.
    [Foucault: In der Seuche die Disziplinarmacht]

    Der One-Health-Ansatz kann als eine Evolution des Krisenmanagements gesehen werden, die durch ihre umfassende, präventive und technologiegestützte Natur die Grundlage für die Legitimierung und den dauerhaften Einsatz von Smart Governance bildet.

    4. Die technologischen Eckpfeiler der Smart Governance

    Auf der Suche nach einer einfachen Erklärung der grundlegenden Instrumente der Smart Governance stoßen wir unweigerlich auf eine Äußerung von Nandan Nilekani, CEO von Infosys Technologies:

    Digital Public Infrastructure: Stacking Up the Benefits

    „Was sind die Werkzeuge der neuen Welt? Jeder sollte einen digitalen Ausweis haben; jeder sollte ein Bankkonto haben; jeder sollte ein Smartphone haben. Dann kann man alles machen. Alles andere baut darauf auf.“
    Nandan Nilekani

    Es lohnt sich, die einzelnen Elemente seiner Aussage genauer zu betrachten.

    4.1. Die Europäische Digitale ID

    Im Februar 2024 hat das Europäische Parlament mit großer Mehrheit die eIDAS-Reform (electronic IDentification, Authentication, and trust Services) verabschiedet. Bis Herbst 2026 müssen alle EU-Mitgliedstaaten ihren Bürgern eine „European Digital Identity Wallet“ (ID-Wallet) anbieten. Diese Wallet ermöglicht es, sich sowohl online als auch offline in fast allen Lebensbereichen auszuweisen. Die EU-Kommission strebt an, dass bis 2030 mindestens 80 Prozent der EU-Bürger eine digitale Identität nutzen.

    Ein Werbefilm des Europäischen Parlaments erklärt, dass die EU ID-Wallet wichtige Informationen wie amtliche Ausweise, Dokumente und Bankdaten sicher an einem Ort speichert. Die digitale Brieftasche der EU soll den Zugang zu öffentlichen und privaten Dienstleistungen in ganz Europa einfacher und effizienter machen. Die Nutzung der Wallet ist freiwillig und kostenfrei. Bürger, die sich gegen die digitale Brieftasche entscheiden, sollen keine Nachteile haben. Nutzer der Wallet können genau bestimmen, welche Daten an „vertrauenswürdige Parteien“ weitergegeben werden. Diese Parteien, wie Unternehmen oder öffentliche Einrichtungen, müssen sich in den EU-Mitgliedstaaten registrieren und angeben, welche Daten sie zu welchem Zweck anfordern.

    Nach dem Motto „Traue keinem Politiker“ ist es sinnvoll, sich über die konkrete technologische Umsetzung der digitalen Identität zu informieren. Dabei stößt man schnell auf den französischen High-Tech-Konzern THALES, der weltweit eine Schlüsselrolle bei vielen staatlichen Digitalprojekten auf Regierungsebene spielt.

    Die THALES Group mit Sitz in Paris ist ein börsennotierter Konzern, der sich auf folgende Geschäftsbereiche spezialisiert hat: Rüstungsindustrie, Luft- und Raumfahrttechnik sowie Digitale Identität und Sicherheit. Im Bereich Digitale Identität und Sicherheit verfügt THALES über Kernkompetenzen in den Technologiesegmenten Biometrie, Datensicherheit und Verschlüsselung.

    Bis 2025 laufen mehrere große Pilotprojekte, um die EU-Brieftasche für digitale Identität zu testen und ihre sichere und reibungslose Einführung zu gewährleisten. An diesen Projekten sind etwa 360 Einrichtungen beteiligt, darunter private Unternehmen und Behörden aus 26 Mitgliedstaaten sowie Norwegen, Island und der Ukraine. Jedes Pilotprojekt ist als Konsortium organisiert und vereint Fachwissen aus dem öffentlichen und privaten Sektor innerhalb der EU. Die Pilotprojekte testen die EU-Brieftasche in verschiedenen Alltagsszenarien, denen Europäer täglich begegnen. Sie sammeln auch Feedback zur Referenzimplementierung der Wallet. Die gewonnenen Erkenntnisse werden genutzt, um die Sicherheit, Interoperabilität und das Gesamtdesign der EU-Brieftasche für digitale Identität zu verbessern.

    Unter dem Link eIDAS 2: the countdown to a single European Digital ID Wallet has begun (eIDAS 2: Der Countdown für eine einheitliche europäische digitale ID-Geldbörse hat begonnen) lesen wir:

    „Hier bei Thales sind wir ideal positioniert, um die Hauptakteure zu unterstützen, die für die Verwirklichung der EUDI-Wallet verantwortlich sind. Als weltweit führendes Unternehmen für vertrauenswürdige digitale Identitätssysteme haben unsere Teams seit der ersten Version von eIDAS im Jahr 2014 mit Regierungen, öffentlichen Diensten und Unternehmen zusammengearbeitet.
    Daher verfügen wir über eine Reihe von bewährten, eIDAS-zertifizierten Lösungen. Jetzt arbeiten wir mit Dutzenden von Kunden in ganz Europa zusammen und helfen ihnen bei der Vorbereitung auf eIDAS 2.
    Mit unserer Technologie und unserem Fachwissen unterstützen wir die EU und ihre Mitgliedstaaten, beschleunigen die Einführung und Annahme der Brieftasche und tragen dazu bei, Millionen von EU-Bürgern mehr Komfort und Sicherheit zu bieten.“

    In diesem Werbevideo wird kurz und prägnant erklärt, wie die praktische Funktionsweise der eIDAS-zertifizierten „Digital ID-Wallet“-Systemlösung von THALES aussieht.

    Was will uns diese Werbung subtil übermitteln?

    Wir lernen die junge attraktive Frau mit dem Namen Lucy kennen. Der Name Lucy wird oft mit dem gleichnamigen Action- und Science-Fiction-Film aus dem Jahr 2014 in Verbindung gebracht. In dieser erfundenen Geschichte erhöht die 25-jährige Studentin Lucy ihre Gehirnleistung durch eine hohe Dosis einer Droge drastisch und beginnt, einen immer größeren Teil ihrer „Gehirnkapazität“ zu nutzen. Als sie schließlich 100 % erreicht, verschmilzt ihr Körper mit sämtlichen Geräten eines wissenschaftlichen Labors zu einem fortschrittlichen Supercomputer. Durch eine Zeitreise gelangt Lucy bis zu den Anfängen des Universums und trifft dabei auf ihre Namensvetterin Lucy, die vor etwa 3,2 Millionen Jahren lebte und in der menschlichen Evolution oft als Bindeglied zwischen Affe und Mensch betrachtet wird.

    Die Wahl dieses Namens soll die Zuschauer ansprechen, indem sie die Vorstellung erweiterter Fähigkeiten sowie transformative und bahnbrechende Eigenschaften hervorruft. So wird die Einzigartigkeit und der innovative Charakter des beworbenen Produkts betont, um ihre Aufmerksamkeit zu gewinnen.

    Lucy ist außerdem Psychologiestudentin. Psychologie, auch als Seelenkunde bekannt, ist eine empirische Wissenschaft, die sich damit beschäftigt, menschliches Erleben und Verhalten zu beschreiben und zu erklären. Psychologen untersuchen das Erleben, Verhalten und Bewusstsein von Menschen. Dadurch möchte man dem Zuschauer nahelegen, dass diese „evolutionäre“ Technologie vertrauenswürdig ist.

    Die Digitale Brieftasche übermittelt gleich zu Beginn ein klares Statement:

    „Tatsächlich bin ich eine praktische Möglichkeit, ihre Identität sowohl online als auch Angesicht zu Angesicht nachzuweisen als auch zu schützen. Schauen wir uns genauer an, was ich tun kann. Ich kann Regierungen helfen, jetzt besser mit den Bürgern zu kommunizieren. Gerade jetzt erinnere ich Lucy an den Termin, den sie für ihre obligatorische Impfung vereinbaren muss.“

    Das Individuum wird schnell und persönlich mit einer klassischen biopolitischen Maßnahme konfrontiert und diskret daran erinnert, sich an die vorgegebenen Normen zu halten. Die Aufgabe eines pflichtbewussten Bürgers ist es, diese Normen bestmöglich zu befolgen, abnormales Verhalten zu korrigieren und idealerweise ganz zu vermeiden.

    Mit anderen Worten, das Digitale ID-Wallet zeigt, dass es ein effizientes und kostengünstiges Werkzeug für die Regierung ist, um uns zeitnah über Regulierungsmechanismen (Normen) zu informieren und uns an deren Einhaltung zu erinnern. Ein Beispiel dafür ist die Pflichtimpfung. Das setzt natürlich voraus, dass die Regierung genau über unsere elektronischen Patientenakten informiert ist. Dies wird demnächst durch das sogenannte Gesundheits-Digitalagentur-Gesetz (GDAG) sichergestellt.

    Der deutsche Gesundheitsminister Karl Lauterbach fasst den Gesetzentwurf in seinem X-Beitrag wie folgt zusammen:

    Der Werbefilm von THALES veranschaulichte bereits im Jahr 2020 den Zusammenhang zwischen dem Digitalen ID-Wallet und der elektronischen Patientenakte beim Arztbesuch. Dies scheint wegweisend für einige Regierungsmaßnahmen im Jahr 2024 zu sein.

    Die digitale Brieftasche steuert auch die Kommunikation mit allen staatlichen Behörden und ermöglicht den Zugang zu Finanz- und Mobilitätsdienstleistungen. Der Digital ID-Wallet wird nicht nur für den Zugang zum Staatsexamen genutzt, sondern auch für den Zutritt zur Kneipe.

    „Ja, ich bin Lucys bester Begleiter. Ich beschütze Ihre Identität und amtliche Legitimation, wo immer sie ist. Ich garantiere den sicheren Zugang zu öffentlichen und privaten Dienstleistungen. Ich erlaube den richtigen Zugang zu den richtigen Daten an die richtige Person. Auch Regierungen vertrauen mir bei der Unterstützung der digitalen Transformation deren Länder.“

    Für den Zuschauer erscheint das Digitale ID-Wallet als die digitale Form des „’guten Hirten‘, deren Aufgabe es ist, ‚über die man wacht, Gutes zu tun’“.

    In Kombination mit der Europäischen Digitalen Identität verwandelt sich das Smartphone in ein spezifisches, technisches Instrument, um Regierungstechniken zur Überwachung und Lenkung sowohl von Kollektiven als auch von einzelnen Individuen umzusetzen. Diese Umsetzung hat zwei Dimensionen:

    a) politische Dimension

    Definierte Sicherheits- und Vorkehrungsregeln wirken dabei als Kontrollmechanismus der Bevölkerung, um Gefahren zu erkennen und so weitreichend wie möglich auf die Handlungsweisen der Bevölkerung und freien (kollektiven) Subjekte zu wirken (z. B. wird neben Pandemien der Klimawandel zunehmend als Gefahrensituation definiert).

    b) unternehmerisch-wirtschaftliche Dimension

    Das Smartphone ist zu einem alltäglichen Begleiter geworden und generiert dabei unzählige Daten. Unternehmen nutzen diese Daten, um Aspekte wie Kaufverhalten und Lebensgewohnheiten zu prognostizieren. Sie setzen umfassende Maßnahmen ein, um sowohl auf das Leben der Bevölkerung als auch auf das von Subjekten Einfluss zu nehmen.

    Die politische Dimension der Überwachung und Kontrolle ist ’sichtbar‘. Meistens erfolgt sie auf die „harte Go-NoGo“ Weise. Bei fehlender Kompatibilität mit den vorgegebenen Normen folgen unmittelbar Konsequenzen (von Exklusion bis hin zu weitreichenderen Disziplinarmaßnahmen). Grob gesagt, durch die Verwendung des Digital ID-Wallets und dem damit verbundenen Zugriff auf seine biometrischen Merkmale ist man fälschungssicher transparent! Und wenn man den Normen, die vom ‚guten Hirten‘ festgelegt werden, nicht entspricht, könnte man – wenn es Hart-auf-Hart kommt – am Ende ganz nackt dastehen. Bei dem einen oder anderen Kritiker der Corona-Politik der Regierung werden dabei Erinnerungen wach.

    Die unternehmerisch-wirtschaftliche Dimension wirkt eher subtil, ‚unsichtbar‘ und diskret. Dadurch werden Ideale und Normen propagiert, wobei die Förderung derjenigen im Vordergrund steht, die diesen Normen entsprechen.

    THALES hat auch für diese Dimension das passende Werbevideo mit dem Titel „Vertrauenswürdige digitale Leben“ kreiert.

    Die Werbestory suggeriert grenzenlosen Spaß und Bequemlichkeit, wenn man sein Leben digitalisiert. Der Schlüssel zu diesem Paradies ist die digitale Erfassung der biometrischen Daten und deren permanente Verbindung mit dem eigenen Bewegungs- und Verhaltensprofil.

    Nach der Logik von Michel Foucault, dem Erfinder der Begriffe ‚Biopolitik‘ und ‚Gouvernementalität‘ ist das Ziel, neben dem Erhalt/Aufbau eines globalen Gleichgewichtszustandes, die Sicherheit des Ganzen und dessen Schutz vor inneren Gefahren. Da die Bevölkerung vielfältig ist, geht es zum einen darum, die Gefahren zu erkennen und zum anderen auch darum, eine Form der Regierung zu finden, die so weitreichend ist, dass sie bis in die verborgensten Winkel der Bevölkerung Wirksamkeit zeigt. „Die Bevölkerung zu führen heißt, ihrer globalen Befunde zu führen; die Bevölkerung zu führen heißt, sie gleichermaßen in der Tiefe, in der Feinheit und im Detail zu führen.“ [The (in)visible ‚friend‘, Seite 31]

    Die Etablierung einer Kultur, in der das Smartphone als Erweiterung der eigenen Person genutzt wird, eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Organisation und Steuerung von Gesellschaften. Mit der Einführung der Europäischen Digitalen Identität kann jedes Individuum fälschungssicher identifiziert und in digitalen Systemen adressiert werden. Dadurch wird unser Verhalten auf logisch-mathematische Prozesse reduziert, die auf Grundlage der gewonnenen Daten kontinuierlich optimiert werden.

    4.2. Die technologische Selbstführung als Fundament der Smart Governance

    „Es ist so bequem, unmündig zu sein. Habe ich ein Buch, das für mich Verstand hat, einen Seelsorger, der für mich Gewissen hat, einen Arzt, der für mich die Diät beurteilt, usw., so brauche ich mich ja nicht selbst zu bemühen.“
    Immanuel Kant (1724 – 1804), deutscher Philosoph

    Bereits vor einem Jahrzehnt wurde vorausgesagt, dass die Ära des Personal Computings, repräsentiert durch Desktop-Computer und Laptops, in die Ära des Intimate Computings übergehen würde. Man prophezeite, dass „intime Geräte“, Umgebungen und Netzwerke noch vor 2020 sehr viel über uns wissen werden.

    Ein anschauliches Beispiel für diese Entwicklung ist der Humane AI PIN von Humane, einem Start-up-Unternehmen, das von ehemaligen Apple-Mitarbeitern gegründet wurde und mittlerweile Unterstützung von prominenten Investoren wie Sam Altman, Microsoft, Qualcomm Ventures und anderen namhaften Geldgebern erhält.

    Dieses innovative Gadget sorgte bereits wenige Tage nach dem Annoncieren in den Medien für Furore weltweit und wird bereits als der nächste „Game Changer“ nach dem Smartphone bezeichnet. 

    Die Werbung von dem Humane AI PIN wirkt auf dem ersten Blick sehr überzeugend.

    [Quelle: https://hu.ma.ne/]

    Die Ära des Intimate Computings ist inzwischen Realität geworden, wie Imran Chaudhri, CEO von Humane, in seiner visionären Rede „The Disappearing Computer – Der verschwindende Computer“ während der TED-Konferenz im April 2023 erklärte. Es lohnt sich, diese Rede in voller Länge anzusehen.

    Halten wir einige der Statements des kalifornischen Visionärs fest:

    „In der Zukunft wird die Technologie sowohl ambient (Anm. an der Umgebung angepasst) als auch kontextbezogen (Anm. an der Situation angepasst) sein.  Und das bedeutet, dass Sie KI nutzen müssen, um sich selbst und Ihre Umgebung wirklich zu verstehen und so die besten Ergebnisse zu erzielen.“

    „Und diesen Kontext gewinnen wir durch maschinelles Lernen. Je häufiger Sie unser KI-gestütztes Gerät nutzen, desto besser können WIR Ihnen in jeder Notsituation helfen. Ihre KI wird effektiv zu einer sich ständig weiterentwickelnden, personalisierten Form des Gedächtnisses. Und WIR finden das großartig.“

    „Ihre KI findet in Gedankengeschwindigkeit heraus, was Sie brauchen. Ein Gefühl, das sich mit der Weiterentwicklung der Technologie ständig weiter entwickeln wird. … Wenn die KI voranschreitet, werden WIR sehen, wie sie nahezu jeden Aspekt unseres Lebens verändern wird. Auf eine Weise, die im Moment unvorstellbar erscheint. Tatsächlich geht es Sam Altman von OpenAI so wie uns – KI wird stark unterschätzt. Und ich füge hinzu, solange wir es richtig machen. WIR glauben wirklich, dass WIR gerade erst anfangen, an der Oberfläche dessen zu kratzen, was möglich ist.“

    „Humanere, intuitivere Interaktionen, die bildschirmlos, nahtlos und spürbar sind – das ist die Möglichkeit die Mensch-Technik-Beziehung, so wie WIR sie kennen, neu zu denken. Und das ist das Spannende. Es ist zweifellos eine große Herausforderung. Aber es ist die Welt in der WIR leben wollen. Eine Welt, in der Technologie uns nicht nur dabei hilft, wieder in die Welt zurückzukehren, sondern auch unsere Fähigkeiten dazu verbessert. Es ist in Reichweite.“

    „Die Zukunft der Technologie könnte fast unsichtbar sein.“

    Diese Statements spiegeln die Prinzipien der neoliberalen Gouvernementalität wider, indem sie die Verantwortung des Individuums zur Nutzung und Anpassung an neue Technologien betonen, eine Kultur der ständigen Selbstverbesserung fördern und technologische Kontrolle als Mittel zur Regulierung und Optimierung des Lebens darstellen. Es werden neue Normen und Werte durch technologische Innovationen geschaffen. In dieser Welt ist die Technologie nicht nur nützlich, sondern verbessert auch die menschlichen Fähigkeiten und setzt somit neue Standards für Leistung und Effizienz.

    Die neoliberale Gouvernementalität beruht auf der digitalen Überwachung. Ohne die durch die digitale Surveillance erzeugten Daten würde das System zusammenbrechen, sie sind sein Rohstoff und seine Währung. Innovative Gadgets, wie der Humane AI PIN, präsentieren sich als effiziente Unterstützung bei den Bemühungen, das postmoderne Individuum zu disziplinieren, kontrollieren und optimieren. Sie richten ihre Aufmerksamkeit auf das Individuum mit all seinen Wünschen, Ambitionen, Potenzialen und Schwächen. Es scheint, als stünden sie dem Individuum zur Verfügung, um ihm dabei zu helfen, ein verbessertes und erfolgreicheres Selbst zu werden.

    Dabei kommen subtil die von Foucault definierten „Technologien des Selbst“ zum Einsatz. Es handelt sich dabei um Vorgänge und Praktiken, durch die es dem Einzelnen ermöglicht wird, eigenständig oder mit Unterstützung anderer eine Vielzahl von Operationen an seinem Körper, seiner Seele, seinem Denken, seinem Verhalten und seiner Existenzweise durchzuführen.

    Nach Foucault erfordern die Technologien des Selbst immer die Beziehung zum Anderen: „Man kann sich nicht mit sich selbst befassen, ohne eine Beziehung zum anderen zu haben“. [Foucault, Michel: Die Regierung des Selbst und der anderen. Vorlesung am Collège de France 1982/83. Frankfurt/Main: Suhrkamp, 2009]

    Die Funktion des Anderen besteht darin, die Wahrheit auszusprechen, insbesondere unangenehme Wahrheiten, die das Subjekt dazu anregen sollen, über sein Handeln nachzudenken und es gegebenenfalls zu modifizieren.

    Folgende Dialogsequenz vom Humane-CEO mit der künstlichen Intelligenz veranschaulicht die praktische Anwendung dieser Machttechniken.

    Imran Chaudhri Dialogue with Humane AI Pin

    Die Technologien des Selbst basieren vor allem auf der freien Entscheidung des Individuums, selbstständig an sich zu arbeiten. Durch das Bekenntnis seiner „Sünden“ oder „Fehler“ öffnet es sich für spirituelle Führung und empfängt daraufhin Anweisungen oder Lehren.

    In der Machtphilosophie von Foucault sind das unterworfene Subjekt und das autonome Selbst zwei Seiten derselben Medaille. Beim Umgang mit Wearables in der allgegenwärtigen Datenökonomie tritt das moderne, gleichgültige Subjekt hervor. Einerseits handelt es autonom, aktiv und kreativ und ist sich der Risiken und Gefahren des Data-Minings bewusst. Andererseits unterwirft es sich den Prinzipien der Datenproduktion und kümmert sich nicht um den Schutz der eigenen Privatsphäre. So führt die postmoderne, vermeintliche Sorge um sich selbst letztlich zur Selbstvernachlässigung.

    Das Subjekt, das sich durch Wearables selbst vermisst, tut dies nicht aus Feigheit, sondern aus Bequemlichkeit, Desinteresse und der falschen Annahme, „nichts zu verbergen“ zu haben. Die Unterwerfung unter das Regime der Selbstoptimierung befreit es von eigenständigem Denken und der Sorge um sich selbst. Stattdessen erhält es kontinuierlich benutzerfreundliches Feedback und vorgefertigte Interpretationen, was es von der Pflicht zur Reflexion und zum Nachdenken entbindet. Durch die Selbsterkenntnis mittels Daten wird das Subjekt zunehmend datenabhängig – es gibt zu, ohne Wearables nicht in der Lage oder nicht bereit zu sein, selbstständig über sich nachzudenken und delegiert diese Selbstarbeit an ein Medium. Dabei entfremdet es sich von sich selbst, besonders von seinem eigenen Körper, der zu einem fremden Objekt wird, übersetzt in Datenströme. Trotz des Anspruchs auf Aufklärung und vermeintlicher Emanzipation führt dies zu einem flexiblen, sich selbst vermarktenden, im Grunde jedoch gleichgültigen Subjekt, das in den subtilen Verflechtungen der digitalen Pastoralmacht gefangen ist.

    Smartphones und Wearables werden zu persönlichen Laboren und versprechen, uns alle zu ermächtigen. Diese Geräte entwickeln sich zu Beratern: Sie überwachen nicht nur unsere Aktivitäten, sondern geben auch konkrete Anweisungen und Empfehlungen. Das Design der Wearables beeinflusst unsere Entscheidungen, oft unbewusst, indem es verschiedene Optionen präsentiert. Durch gezielte Hinweise (Nudging) werden Nutzer zu bestimmten Verhaltensweisen geführt. Auf diese Weise tragen Wearables zur sozialen Kontrolle bei und vermitteln allgemeine Normen.

    So betrachtet erscheint die visionäre Rede von dem HUMANE CEO, Imran Chaudhri, in einem etwas anderen Licht.

    Der israelische Historiker, Yuval Harari, wird diesbezüglich konkreter. Bei seinem ‚pathetischen‘ Auftritt vor dem Frontiers Forum in Mai 2023 zum Thema „AI and the future of humanity“ skizziert er folgende Zukunftsvision:

    „Aber je länger wir mit dem Bot sprechen, desto besser lernt er uns kennen und versteht, wie er seine Botschaften verfeinern kann, um unsere politischen oder unsere wirtschaftlichen Ansichten oder sonst etwas zu manipulieren. Wie ich sagte, kann die KI durch die Beherrschung der Sprache intime Beziehungen zu Menschen aufbauen und die Macht der Intimität nutzen, um unsere Meinungen zu beeinflussen.“

    „Neue KI-Werkzeuge würden einen immensen Einfluss auf menschliche Meinungen und unser Weltbild haben. Die Menschen könnten zum Beispiel dazu kommen, einen einzigen KI-Berater als das One-Stop-Orakel und als Quelle für alle Informationen, die sie benötigen, zu verwenden.“

    „Menschen und Unternehmen, die die neuen KI-Orakel kontrollieren, werden extrem mächtig sein.“

    Technologische Selbstführung und Smart Governance verstärken sich gegenseitig, indem sie gemeinsame Prinzipien und Technologien nutzen, um sowohl individuelles Verhalten als auch die Verwaltung und Steuerung von Gesellschaften zu optimieren. Beide Konzepte fördern Effizienz, Transparenz und personalisierte Interaktionen durch datenbasierte Entscheidungsfindung und verhaltenssteuernde Techniken. Diese Symbiose ermöglicht gezielte Veränderungen auf individueller und gesellschaftlicher Ebene.

    Smart Governance fördert die Dezentralisierung und Privatisierung öffentlicher Dienstleistungen. Technologische Lösungen, die eine effizientere Verwaltung öffentlicher Dienstleistungen ermöglichen, werden häufig von privaten Akteuren bereitgestellt. Dies geschieht im Rahmen von öffentlich-privaten Partnerschaften oder durch die direkte Auslagerung von Dienstleistungen an private Unternehmen.

    4.3. Digital Twins als Grundlage für Smart Governance-Strategien

    Was würden Sie tun, wenn Sie eine digitale Kopie von sich selbst hätten? Einen digitalen Zwilling, der genau wie Sie ist und in einer exakten digitalen Darstellung Ihres Zuhauses, Arbeitsplatzes oder Ihrer Stadt lebt? Noch besser: Was wäre, wenn dieser digitale Zwilling keine Schmerzen oder Verletzungen empfinden könnte? Die Möglichkeiten wären unglaublich. Sie könnten Entscheidungen treffen, ohne Angst vor den Konsequenzen zu haben, und mit viel mehr Sicherheit über das Ergebnis.

    Die Unternehmensberatung McKinsey beschreibt den Begriff „Digitaler Zwilling“ folgendermaßen:

    „Ein digitaler Zwilling ist eine digitale Darstellung eines physischen Objekts, einer Person oder eines Prozesses, kontextualisiert in einer digitalen Version seiner Umgebung. Digitale Zwillinge können einem Unternehmen dabei helfen, reale Situationen und deren Ergebnisse zu simulieren, um letztlich bessere Entscheidungen treffen zu können.“

    Ist es bereits möglich, eine virtuelle Kopie einer ganzen Stadt zu erstellen? Ja, das ist bereits machbar. Das Projekt Siemensstadt Square ist nur ein Beispiel dafür.

    Digitale Zwillinge fungieren als zentrale Plattform zur Integration und Koordination verschiedener Smart-Technologien. Sie bündeln Daten aus IoT-Geräten, Sensoren und anderen digitalen Systemen, um ein umfassendes Bild der städtischen Umgebung zu erstellen. Dadurch können Planer verschiedene Szenarien testen und deren Ergebnisse messen, ohne die Stadt und ihre Bewohner zu beeinträchtigen. Funktionierende Lösungen können anschließend im physischen Raum umgesetzt werden.

    Digitale Zwillinge sind ein unverzichtbares Werkzeug für Smart Governance, da sie zahlreiche Vorteile bieten und die Effizienz sowie Effektivität der Verwaltung signifikant verbessern können. Diese Technologie ermöglicht eine präzise Echtzeitdatenanalyse und die Simulation verschiedener Szenarien. Dadurch können potenzielle Probleme frühzeitig erkannt und geeignete Maßnahmen geplant werden, noch bevor sie sich in der realen Welt manifestieren. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig: von der Überwachung und Wartung von Infrastrukturen über die Analyse von Umweltdaten und sozialen Dynamiken bis hin zum Krisenmanagement bei Naturkatastrophen oder Pandemien.

    Digitale Zwillinge sind detailgetreue Nachbildungen von Systemen, die auf einem wechselseitigen Informationsfluss mit dem realen Objekt ausgelegt sind. Sie ermöglichen einen bidirektionalen Austausch von Echtzeitdaten und tragen dazu bei, das aktuelle Geschehen besser zu verstehen. Dadurch können Probleme in Echtzeit behoben und die Leistung des realen Objekts optimiert werden.

    Wenn ein digitaler Zwilling erfolgreich einen ganzen Stadtteil emulieren kann, könnte er dann auch auf die individuelle Ebene ausgeweitet werden, um als Personal Digital Twin zu fungieren?

    Viele Experten sind überzeugt, dass diese Vision realisierbar ist, und tatsächlich arbeiten einige von ihnen bereits an äußerst ehrgeizigen Anwendungen. Die Einschätzung geht dahin, dass persönliche digitale Zwillinge bis zum Ende des Jahrzehnts zur alltäglichen Realität werden könnten – und dass dieser Fortschritt maßgeblich vom Gesundheitswesen vorangetrieben wird.

    Der ehemalige CEO von General Electric, Bill Ruh, prognostiziert beispielsweise, dass jeder Mensch schon von Geburt an mit einem digitalen Zwilling ausgestattet sein wird. Dieser digitale Zwilling wird das individuelle Genom der Person nutzen, um personalisierte Behandlungsvorschläge zu unterbreiten, sobald Krankheiten auftreten.

    Das der Personal Digital Twin mehr als nur eine Vision ist, beweist die Tatsache, dass im Jahr 2020 die Gemeinsame Forschungsstelle (Joint Research Centre – JRC) der Europäischen Kommission das Projekt „MyDigitalTwin: Trusted Personal Digital Twins in a Transformed Society“ ins Leben gerufen hat. Die im Internet verfügbaren Informationen zu diesem Projekt sind spärlich. Unter diesem Link erhält man folgende allgemeine Informationen:

    „Das Projekt MyDigitalTwin (MyDT) zielt darauf ab, zu untersuchen, wie die schnell wachsende Generation persönlicher Daten über PDTs genutzt, überwacht und kontrolliert werden kann und welche Rolle PDTs beim Verständnis komplexer/schneller gesellschaftlicher Dynamiken spielen. Die Studie will die Herausforderungen im Zusammenhang mit Ethik und Datenschutz sowie die Möglichkeiten untersuchen, die bestehenden PDT-Rahmenwerke von einem Business-to-Customer (B2C)-Kontext auf einen Government-to-Citizen (G2C)-Kontext zu übertragen. Schließlich wird MyDT die Rolle der PDT für eine europäische e-Identität untersuchen.“

    Weitere Informationen zum Projekt MyDigitalTwin (MyDT) der EU-Kommission finden sich im eBook von Prof. Roberto Saracco mit dem Titel „Personal Digital Twins – A third evolution step of humankind?“ (Persönliche digitale Zwillinge – Eine dritte Evolutionsstufe für die Menschheit?). Prof. Saracco ist nicht nur einer der Vorsitzenden der IEEE Digital Reality Initiative, sondern auch aktiver Teilnehmer in der Expertenarbeitsgruppe des MyDT-Projektes.

    Inwieweit soll der Personal Digital Twin (PDT) die physische Person widerspiegeln?

    Das hängt im Wesentlichen davon ab, was von dem PDT erwartet wird. Aktuell wird der Einsatz von PDTs im Gesundheitswesen propagiert. Ein PDT der so konzipiert ist, spiegelt physiologische Aspekte der Person mit einer Vielzahl von Details wider (Gewicht, Größe, Geschlecht, Herzschläge, Atemfrequenz, Stoffwechsel, usw.) und kann eine Vielzahl von weiteren gesundheitsbezogenen Daten enthalten (Genomsequenz, Allergien, Lebensumgebung, elterliche Pathologien, berufliche Risiken usw.).

    Wie schnell dies in die Praxis mittlerweile umgesetzt werden kann, demonstriert dieses Werbevideo von dem „Forward CarePod™, the World’s First AI Doctor’s Office“ des US-Unternehmens GoForward.

    Vor Kurzem stellte Google das MedLM vor, eine Reihe spezialisierter generativer KI-Modelle für das Gesundheitswesen. Laut Google entspricht die Leistungsfähigkeit dieser KI-Modelle dem Niveau eines Facharztes.

    Mit dem Versprechen eines umfassenden 360-Grad-Gesundheitsschutzes rund um die Uhr, 365 Tage im Jahr, wird die Mehrheit der Bevölkerung freiwillig den ersten Schritt in Richtung Personal Digital Twin (PDT) gehen.

    Eine große Menge von persönlichen Datensätzen sind offensichtlich entscheidend für den Betrieb des PDT, ein PDT ohne Daten existiert nicht. Eine aktuelle Übersicht, wie diese Daten technologisch erhoben und weiterverarbeitet werden, liefert der Artikel „Die letzte Bastion – Der menschliche Körper als Technologieplattform“.

    In dieser Situation ist das Vertrauen zwischen Personen und Institutionen, die persönliche Daten sammeln und verwalten, von entscheidender Bedeutung.

    Aus diesem Grund hat die Europäische Union (EU) Richtlinien wie die Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) und den ‚EU Data Act‘ eingeführt. Während der ‚EU Data Act‘ darauf abzielt, mehr Daten für gesellschaftliche und wirtschaftliche Zwecke verfügbar zu machen, legt die DSGVO den Schwerpunkt auf den Schutz personenbezogener Daten und die Rechte der Betroffenen. Diese Verordnungen adressieren unterschiedliche Bedürfnisse: Datenschutz und Vertraulichkeit einerseits, Nutzung und gemeinsame Nutzung von Daten andererseits.

    Hier ergibt sich ein mögliches Konfliktpotenzial. Eine harmonische Anpassung der Anforderungen beider Verordnungen erfordert sorgfältige Überlegungen, um sicherzustellen, dass die Ziele des freien Datenflusses und des Datenschutzes miteinander in Einklang gebracht werden. Und das ist eine echte Herausforderung für die Smart Governance.

    Denken wir daran, dass Biopolitik als zentraler Aspekt der Gouvernementalität das Leben der gesamten Bevölkerung durch staatliche und andere Institutionen in all seinen Facetten verwaltet. Während einer Pandemie wird die Krankheit nicht mehr nur als individuelles Problem betrachtet, sondern als eine Herausforderung, die die gesamte Gemeinschaft betrifft.

    Wie Personal Digital Twins bei der Bekämpfung einer Pandemie eingesetzt werden können und wie der Umgang mit persönlichen Daten aussieht, wird mit einfachen Worten von Prof. Saracco in diesem Videoausschnitt erklärt.

    [Excerpt from the Webinar „Digital Twins and Personal Digital Twins in Pandemic Monitoring and Control”]

    In diesem Szenario tauscht der Personal Digital Twin (PDT) gesundheitsrelevante Daten sowohl mit der physischen Person als auch mit den Gesundheitsbehörden, sprich der staatlichen Autorität, aus. Die staatliche Autorität legt fest, wie diese Daten im Kontext der aktuellen Pandemiesituation behandelt werden sollen und welche Konsequenzen dies für die physische Person hat. In der Regel werden bestimmte Verhaltensregeln vom Staat festgelegt. Solange sich die physische Person an diese Regeln hält, bleibt sie ‚anonym‘ und ihre Privatsphäre bleibt geschützt. Die Anonymität endet, wenn die Person die staatlich definierten Regeln nicht einhält (was einen Eingriff in die Privatsphäre darstellt). In dieser Konstellation wird die physische Person durch den PDT im 24/7-Modus überwacht und gegebenenfalls konditioniert.

    Die Ambitionen, eine physische Person durch PDTs widerzuspiegeln, reichen weit über den Gesundheitssektor hinaus. Wie weit kann und will man gehen?

    Die Diskussionen im Rahmen des MyDT-Projektes der EU-Kommission werden in erster Linie von der bereits verfügbaren und weiterwachsenden „Datenlandschaft“ der physischen Person gelenkt.

    Die Datenlandschaft, die potenziell Teil des Personal Digital Twins sein kann.
    [Forum Virium Helsinki]

    Bitte beachten Sie, dass nur ein kleiner Teil der Daten durch Selbstmessung von der Person selbst generiert und erfasst wird. Die meisten Daten entstehen durch die Interaktion der Person mit ihrer Umgebung und werden von verschiedenen Institutionen erfasst. Die Funktionsweise dieses Prozesses wurde bereits in den Kapiteln 4.1 und 4.2 veranschaulicht.

    Inwiefern die entstehende digitale Spur für die Erstellung eines persönlichen digitalen Zwillings verwendet wird, hängt von der Komplexität der Analyseverfahren der vorhandenen Datensätze ab. Durch den Einsatz von KI-Modellen ist es bereits heute möglich, ein umfassendes Profil einer Person in nahezu allen Lebensbereichen im Hintergrund zu erstellen. Dieses Profil kann verwendet werden, um zukünftige Bedürfnisse vorherzusagen und/oder diese Bedürfnisse zu beeinflussen oder zu steuern. Die zunehmende Raffinesse bei der Analyse und Verwaltung persönlicher Daten bringt uns dem Konzept eines digitalen Zwillings immer näher. Es handelt sich um einen ‚persönlichen‘ digitalen Zwilling in dem Sinne, dass er unsere Person (Gewohnheiten, Geschichte, zukünftiges Verhalten) widerspiegelt, jedoch gehört er uns nicht ‚persönlich‘ – im Grunde hat man keine Kontrolle über diesen Pseudo-Digitalzwilling.

    Eine Analyse des EU AI-ACT (EU-Verordnung zur Festlegung harmonisierter Regeln für künstliche Intelligenz) zeigt, dass die EU-Kommission den Einsatz von sogenannten Hochrisiko-KI-Systemen in nahezu allen Lebensbereichen plant. Diese Systeme sollen die Handlungen jedes Einzelnen engmaschig durch KI überwachen, überprüfen und bewerten. Letztlich könnte das ‚Schicksal‘ eines Individuums, einschließlich Bildung, berufliche Entwicklung, Zugang zu Dienstleistungen und finanziellen Mitteln, Bewegungsfreiheit, Rechtsschutz und Strafverfolgung, mehr oder weniger von diesen Systemen beeinflusst werden.

    Einsatzgebiete von Hochrisiko-KI-Systemen

    Damit sollte die Frage „Wie weit kann und will man gehen?“ beantwortet sein.

    Laut Prof. Roberto Saracco hat die Expertengruppe des MyDT-Projektes viele Anwendungen im Blick. Es besteht Einigkeit darüber, dass eine europäische Maßnahme die Akzeptanz und Verbreitung von PDTs fördern und ihre Nutzung als Teil des Internets der Menschen (IoP) im Gesundheitswesen unterstützen kann, einschließlich der Überwachung und Kontrolle von Epidemien. Dieser Bereich soll den Weg für Anwendungen in intelligenten Städten, E-Government usw. bereiten.

    Durch öffentlich-private Partnerschaften fördert Smart Governance die Entwicklung eines Ökosystems, in dem private Unternehmen eine Kultur etablieren, die die Nutzung von Smartphones und Wearables als grundlegendes Instrument voraussetzt. Diese Unternehmen bieten Dienste über Personal Digital Twins an und ermutigen andere Unternehmen, ähnliche Dienstleistungen über einen Personal Digital Twin anzubieten.

    Auf der einen Seite führt diese Entwicklung dazu, dass es möglicherweise viele verschiedene Personal Digital Twins (PDTs) gibt, was potenziell Verwirrung stiften kann. Auf der anderen Seite könnte dies Unternehmen dazu motivieren, einen integrierten PDT anzubieten, der bestehende, sektorenspezifische PDTs für einzelne Personen zusammenfasst.

    Prof. Saracco äußert sich zu dem Thema wie folgt:

    „Ich besitze keine Glaskugel, aber wenn ich eine Vorhersage treffen müsste, denke ich, dass die Entwicklung eher von unten nach oben erfolgen wird als umgekehrt. Es ist unwahrscheinlich, dass eine Institution (wie die EU) die Evolution von PDTs vorschreiben und steuern wird. Es ist viel wahrscheinlicher, dass mehrere Unternehmen Dienstleistungen anbieten werden, die zur Schaffung/Annahme von PDTs für Menschen führen. Andere Unternehmen werden Werkzeuge bereitstellen, um fragmentierte PDTs in eine einzige Einheit zu integrieren, die mit einem allgemeinen Rahmen konform sein kann (dies könnte durch die Arbeit auf internationaler Standardisierungsebene entstehen), der einige Merkmale haben kann, die von einer Organisation wie der EU reguliert werden.“ [Personal Digital Twins]

    Perspektivisch ist anzunehmen, dass die zahlreichen PDTs, die im Laufe der Zeit erstellt werden, um spezifische Aspekte einer Person darzustellen, sich zu einem aggregierten PDT vereinen werden. Professor Saracco prognostiziert, dass in den nächsten zehn Jahren und darüber hinaus jede Person einen persönlichen digitalen Zwilling haben wird. Dieser Personal Digital Twin wird bereits während der Schwangerschaft ‚geboren‘, indem Daten aus den Untersuchungen der Mutter gesammelt werden, und er wird sich während des gesamten Lebens der Person weiterentwickeln. Der PDT wird die gesamte digitale Persönlichkeit repräsentieren und kann verwendet werden, um zu einem bestimmten Zeitpunkt Daten zu teilen, jedoch nur mit vorab autorisierten Institutionen, die die Erlaubnis und Notwendigkeit zum Zugriff haben, stets unter Kontrolle der physischen Person.

    Erinnern wir uns daran, dass der digitale Zwilling auf einen wechselseitigen Informationsfluss mit dem zu emulierenden Objekt ausgelegt ist. Es erfolgt ein bidirektionaler Austausch von Daten. Er kann als eine Schnittstelle zwischen der physischen Person und diversen KI-Systemen betrachtet werden, die wiederum von privaten bzw. staatlichen Institutionen betrieben bzw. kontrolliert werden. Einerseits werden die Daten, die zu der Generierung von PDTs erfasst werden, auch zum Trainieren und zur weiteren Entwicklung von KI-Systemen verwendet. Andererseits können KI-Systeme durch die Analyse und Verarbeitung dieser digitalen Repräsentation personalisierte Empfehlungen, Assistenz oder sogar Vorhersagen bereitstellen, die auf den individuellen Merkmalen und Verhaltensweisen einer Person basieren.

    In Krisensituationen können PDTs zur „passiven Überwachung“ sowie zur „aktiven Konditionierung“ der physischen Person beitragen. Ein Beispiel diesbezüglich wurde in dem Videobeitrag von Prof. Saracco allgemeinverständlich veranschaulicht. Wenn einmal die Infrastruktur etabliert ist, kann sie der jeweiligen Krisensituation mit allen für das Individuum resultierenden Restriktionen und Konsequenzen zeitnah angepasst werden. Vergessen wir nicht, dass die nächste Dekade voller globaler Risiken ist.

    4.4. Das intelligente Geld – Smart Money und Smart Governance

    Die fortschreitende globale Vernetzung durch Technologien wie 5G und das Internet der Dinge (IoT), unterstützt durch leistungsfähige KI-Algorithmen treibt die Entwicklung der sogenannten ‚Smart Economy‘ voran. Diese bezeichnet eine Wirtschaft, die durch digitale Technologien und datengesteuerte Prozesse effizienter, nachhaltiger und innovativer wird. Schlüsseltechnologien wie Internet der Dinge, künstliche Intelligenz, Big Data und Blockchain spielen dabei eine zentrale Rolle, indem sie Unternehmen helfen, Abläufe zu optimieren, ihre Produktion effizienter zu gestalten, den Energieverbrauch zu senken, ihre Ressourcen besser zu nutzen, neue Geschäftsmodelle zu entwickeln und besser auf Kundenbedürfnisse einzugehen.

    In einer Smart Economy werden kontinuierlich Daten gesammelt und analysiert, um fundierte Entscheidungen zu treffen. Dabei spielt die Vernetzung mit dem Finanzsektor eine entscheidende Rolle. Diese Verbindung ermöglicht es, finanzielle Transaktionen effizienter, sicherer und transparenter zu gestalten. Die nahtlose Integration von Finanzdienstleistungen in die digitale Wirtschaft stellt neue Anforderungen an die digitale Form des Geldes und führt zwangsläufig zu ihrer weiteren Entwicklung.

    Im Rahmen dieser evolutionären Entwicklung werden digitale Währungen erweiterte Funktionen anbieten, die über die einfachen Zahlungs- und Wertaufbewahrungsrollen traditioneller Währungen hinausgehen. Man spricht von der sogenannten ‚tokenisierten‘ Form des Geldes. Sehr detaillierte und umfangreiche Informationen zu diesem Thema findet man in dem Artikel CBDC – Eine Liebesgeschichte mit Vorbehalten.

    An der Stelle reicht es zu sagen, dass man unter „Tokenisierung“ den Vorgang versteht, bei dem Vermögenswerte aus der realen Welt in die digitale Welt übertragen werden, indem sie in digitale Tokens umgewandelt werden. Diese Tokens fungieren als digitale Repräsentationen der realen Vermögenswerte und werden in einer Datenbank gespeichert.

    Ein Vermögenswert (auch Asset genannt) ist ein wirtschaftlicher Wert oder eine Ressource, die einem Unternehmen, einer Person oder einer Organisation einen Nutzen oder einen Anspruch auf zukünftigen Nutzen bietet. Dazu können materielle Assets (Grundstücke, Gebäuden, Maschinen, Fahrzeuge, Ausrüstung, Inventar), immaterielle Assets (Patente, Lizenzen, Urheberrechte, Software), natürliche Assets (Land, Wasser, Bodenschätze) und finanzielle Assets (Bargeld, Bankguthaben, Aktien und andere Finanzinstrumente) gehören.

    Die Datenbank, auch Ledger genannt, dient dazu, den aktuellen Stand von Vermögenswerten, Verbindlichkeiten und Kapital eines Unternehmens oder einer Organisation festzuhalten. Traditionell hat eine zentrale Autorität die Kontrolle über die Daten und steuert den Zugriff zentral. In einer Smart Economy wird zunehmend eine dezentrale Datenbank, auch Distributed Ledger genannt, verwendet. Im Gegensatz zu zentralisierten Ledgern, die von einer einzigen zentralen Stelle verwaltet werden, befinden sich die Daten in einem Distributed Ledger auf vielen verteilten Knoten oder Computern, die über ein Netzwerk miteinander verbunden sind. Diese dezentrale Natur gewährleistet eine höhere Sicherheit, da die Daten auf mehreren Knoten gespeichert sind und Änderungen kryptografisch gesichert werden. Blockchain ist eine spezifische technologische Implementierung eines Distributed Ledgers.

    Dabei beinhaltet ein Token neben den Informationen über den Vermögenswert (z. B.  eindeutige Identifizierung, Eigentümer, Verwahrstelle, Herkunft, Wert, etc.) auch Regeln, die festlegen, was der Vermögenswert tun kann und was nicht.

    Die Token-Definition nach BIS [BIS]

    Dies erleichtert die Einbindung der Tokens in sogenannte intelligente Verträge, auch Smart Contracts genannt. Ein Smart Contract ist ein Softwareprogramm, das einen selbstausführenden Vertrag repräsentiert, dessen Bedingungen direkt im Code enthalten sind. Diese Codes laufen auf einer Blockchain und führen automatisch Aktionen aus, wenn vordefinierte Bedingungen erfüllt sind, ohne dass eine Zwischeninstanz erforderlich ist.

    Ein Smart Contract deckt alle Schlüsselbereiche eines Vertrags ab: von der Identifizierung der Vertragsparteien über den Vertragsgegenstand bis hin zu Leistungen, Pflichten, Konditionen und Laufzeit, sowie der Verwaltung und Durchsetzung. Ein Smart Contract ist absolut präzise. Er folgt der vorprogrammierten Logik bis ins kleinste Detail und wird deterministisch ausgeführt. Diese Logik legt fest, wie die Tokens funktionieren und welche Regeln sie einhalten müssen.

    Im neuen Geldsystem erhalten alle heute verfügbaren Geldformen einen digitalen Zwilling.

    Neue und bestehende Geldarten für ein Fiat-Geldsystem der Zukunft [Position Paper]

    In diesem technologischen Konstrukt lassen sich alle Geldtransaktionen nicht nur eindeutig identifizieren und nachverfolgen, sondern auch in komplexe, automatisch ablaufende Prozesse einbinden. Neben dem Zahlungsverkehr können selbst Geldfunktionen programmiert werden, was als „Smart Money“ bezeichnet wird. Die traditionelle Geldbörse, in der man Bargeld und Karten aufbewahrt, verwandelt sich in ein Digital Wallet – eine App auf dem Smartphone oder Computer, die es dem Anwender ermöglicht, seine digitalen Tokens aufzubewahren, Geld zu senden und zu empfangen, Einkäufe zu tätigen und seine Transaktionen zu verwalten.

    Die Vorteile der neuen Geldformen sind nicht von der Hand zu weisen. Durch ihre Integration in Smart Contracts können Transaktionen schneller und kostengünstiger abgewickelt werden als herkömmliche Banküberweisungen, die oft mehrere Tage dauern. In einer Smart Economy lassen sich so die Ströme von Gütern, Geld und Informationen automatisieren und synchronisieren, was zu einer weiteren Effizienzsteigerung führt.

    Die Transparenz und Rückverfolgbarkeit von Transaktionen, die auf einer Blockchain durchgeführt werden, reduziert das Risiko von Betrug und erleichtert die Einhaltung von Vorschriften. Ein weiterer Vorteil von Smart Money ist die finanzielle Inklusion, da es den Zugang zu Finanzdienstleistungen für Menschen verbessern kann, die bisher vom traditionellen Bankensystem ausgeschlossen waren, was besonders in Entwicklungsländern von Vorteil ist.

    Interoperabilität ist ein weiterer wichtiger Faktor. Tokenisiertes Geld kann in verschiedenen digitalen Ökosystemen verwendet werden und ermöglicht eine nahtlose Integration mit anderen digitalen Diensten und Plattformen. Schließlich bieten diese digitalen Währungen durch den Einsatz fortschrittlicher Verschlüsselungstechniken und dezentraler Netzwerke ein hohes Maß an Sicherheit gegen Cyberangriffe und Manipulation.

    Die so entstandenen intelligenten und flexiblen Finanzinstrumente können die Wirkung von Smart Governance auf das Leben der Bürger nicht nur erheblich verbessern, sondern auch vertiefen.

    Bei Transaktionen von der Regierung zum Bürger (Government-to-Citizen) als auch von Bürgern zur Regierung (Citizen-to-Government) eröffnen sich ganz neue Perspektiven. Regierungen können sicherstellen, dass öffentliche Mittel direkt und ohne Verzögerung dort ankommen, wo sie benötigt werden. Bürger können schneller und sicherer Zugang zu Sozialhilfen, Renten oder Subventionen erhalten. Auch im Steuersystem zeigt Smart Money seine Vorteile, indem es Steuerzahlungen automatisch und in Echtzeit ermöglicht. Dies reduziert den Verwaltungsaufwand, minimiert Fehler und erhöht die Effizienz des Steuersystems. Durch die automatisierten Steuerzahlungen wird der Prozess einfacher und transparenter, was die Steuerehrlichkeit fördern kann.

    Die Kombination aus Digital ID, Smart Phone und Digital Wallet ermöglicht den Zugang zu Finanzdienstleistungen für Menschen ohne Bankkonto oder mit begrenztem Zugang zu traditionellen Finanzinstituten. Diese finanzielle Inklusion fördert nicht nur die wirtschaftliche Teilhabe und hilft, soziale Ungleichheiten zu verringern, sondern maximiert den Wirkungsradius der Smart Governance so, dass sie bis in die verborgensten Winkel der Bevölkerung Wirksamkeit zeigt.

    Intelligentes Geld erleichtert die effektivere Umsetzung spezifischer politischer Agenden, wie zum Beispiel die Förderung nachhaltiger Entwicklung. Regierungen können umweltfreundliches Verhalten und nachhaltige Investitionen fördern, indem sie digitale Währungen und Smart Contracts nutzen, um umweltbezogene Subventionen und Steuervergünstigungen effizient zu verwalten.

    Und das ist nicht alles. Wie im Artikel CBDC – Eine Liebesgeschichte mit Vorbehalten beschrieben, bildet die tokenisierte Form des Geldes die technologische Grundlage für zahlreiche neue, innovative Finanzdienstleistungen im privaten Industrie- und Finanzsektor. Mit immer leistungsfähigeren Technologien, die zunehmend auf KI-Algorithmen basieren, verwandeln sich Städte in ‚Smart Cities‘, Gebäuden in ‚Smart Buildings‘ oder ‚Smart Homes‘ und Autos in ‚Smart Cars‘. Diese umfassende Vernetzung ermöglicht es, immer mehr Informationen aus unserem Alltag zu extrahieren und in digitalen Plattformen zu verarbeiten. Das Motto ’schneller, weiter, höher‘ treibt die Integration persönlicher finanzieller Daten, Mobilitätsprofilen, Details der Lebens- und Arbeitsumgebung sowie des körperlichen Wohlbefindens in algorithmisch gesteuerte Regeln voran, die in Smart Contracts festgehalten werden können.

    Dabei legt die „Smart Governance“ die Regeln, Transparenzanforderungen, Effizienzziele, Sicherheitsstandards, Beteiligungsmechanismen und Datenschutzrichtlinien fest, die sicherstellen, dass Smart Contracts in einem rechtlichen und regulatorischen Rahmen operieren. Dadurch können wesentliche Aspekte des Lebens einer Person indirekt durch die „Smart Governance“ beeinflusst werden.

    Die Integration von Smart Money in die Smart Governance bringt viele Vorteile, aber auch erhebliche Herausforderungen in Bezug auf Kontrolle und Überwachung mit sich. Diese Aspekte müssen kritisch betrachtet werden, um die Balance zwischen Effizienz und persönlicher Freiheit zu wahren. Durch den Einsatz von Smart Money können Regierungen und Finanzinstitutionen detaillierte Transaktionsdaten in Echtzeit verfolgen. Dies ermöglicht eine genauere Überwachung des finanziellen Verhaltens der Bürger, da jede Transaktion zurückverfolgt und analysiert werden kann. Ein recht eindringlicher Kommentar dazu stammt von Augustin Carstens, dem Generaldirektor der Bank for International Settlements (BIS):

    Smart Money gibt Regierungen die Möglichkeit, finanzielle Aktivitäten zu kontrollieren. Zahlungen für bestimmte Waren und Dienstleistungen könnten eingeschränkt oder blockiert werden, um illegale Aktivitäten zu bekämpfen oder politisch unerwünschtes Verhalten zu regulieren.

    Die Speicherung und Verarbeitung großer Mengen persönlicher Finanzdaten birgt erhebliche Datenschutzrisiken. In autoritären Regimen besteht die Gefahr, dass Smart Money als Werkzeug zur politischen Unterdrückung missbraucht wird. Regierungen könnten finanzielle Sanktionen gegen politische Gegner verhängen oder den Zugang zu finanziellen Ressourcen für bestimmte Bevölkerungsgruppen einschränken.

    Um Bedenken hinsichtlich staatlicher Überwachung zu mildern, ist es die Aufgabe der Behörden, der Öffentlichkeit zu versichern, dass angemessene Vorschriften und Kontrollen vorhanden sind. In diesem Zusammenhang spielen internationale Organisationen wie die OECD eine wichtige Rolle. Das Dokument der OECD mit dem Titel „Central Bank Digital Currencies (CBDCs) and democratic values“ enthält einige relevante Aussagen zu diesem Thema.

    „Eines der Risiken, die CBDCs für die Gesellschaft mit sich bringen, ist ihr potenzieller Einsatz als Überwachungsinstrumente, da sie potenziell Zugang zu einem höheren Maß an Informationen über die Nutzer haben, einschließlich Informationen auf Transaktions- und Kontoebene. Im Extremfall könnten die CBDCs den Regierungen die Möglichkeit geben, alle Transaktions- und sonstigen Finanzaktivitäten der Nutzer zu überwachen und zu verfolgen, und auch die Möglichkeit, eine größere Kontrolle über private Transaktionen auszuüben. Die Behörden könnten Nutzer und Transaktionen ungerechtfertigterweise zensieren, ohne dass ein ordnungsgemäßes Verfahren oder ein Rechtsbehelf vorgesehen ist.

    In einem Szenario, in dem CBDC für die groß angelegte Kontrolle von Geldtransaktionen eingesetzt werden, könnten CBDC zudem zu einem Instrument der Kontrolle und der sozialen Profilierung, der voreingenommenen und diskriminierenden Behandlung von Nutzern und möglichen Menschenrechtsverletzungen werden.“

    Die OECD ist eine internationale Organisation mit 38 Mitgliedstaaten, die sich der Demokratie und Marktwirtschaft verpflichtet fühlen. Zu ihren Mitgliedern gehören viele EU-Staaten, die USA, Kanada, Großbritannien, Japan sowie Australien. Das Dokument betont, dass nicht nur die Risiken bei der Einführung von CBDC verstanden werden, sondern auch klare Richtlinien festgelegt werden, um sicherzustellen, dass demokratische Werte bei der Gestaltung und Umsetzung von CBDCs berücksichtigt werden. Es gibt vier Hauptbereiche, auf die besonders geachtet wird: (i) bürgerliche Freiheiten und Menschenrechte; (ii) Gleichbehandlung: Verfügbarkeit, Zugänglichkeit und Erschwinglichkeit; (iii) Privatsphäre und Integrität; (iv) Vertrauen: Sicherheit, Transparenz, betriebliche Widerstandsfähigkeit sowie Schutz der genannten Werte.

    Demokratische Werte für die Gestaltung und Umsetzung von CBDCs, wie im OECD-Bericht definiert [OECD iLibrary]

    Die OECD betrachtet den Datenschutz wie folgt:

    „Was die Datenschutzoptionen betrifft, so würde der niedrigste Grad an Datenschutz ein Design beinhalten, bei dem alle Onboarding/KYC- und Transaktionsdaten für die Zentralbank sichtbar sind. Der zweitniedrigste Grad des Datenschutzes würde Transparenz und Sichtbarkeit der oben genannten Daten nur für den Intermediär bedeuten. Am anderen Ende des Spektrums sind keine Daten für Dritte oder die Zentralbank selbst sichtbar, d.h. vollständige Anonymität, was nicht wünschenswert ist, da dies die Kontrolle des Umlaufs und die Verhinderung von Geldwäsche unmöglich machen würde. Außerdem würde dies Regulierungs- und Durchsetzungsmaßnahmen erschweren. Stattdessen sieht ein Modell des „selektiven Datenschutzes“ ein höheres Maß an Datenschutz für Zahlungen mit geringem Wert bzw. geringem Risiko vor, das vereinfachte Kontrollen beinhaltet (z.B. eine spezielle Brieftasche mit geringeren Anforderungen bei der Anmeldung). Bei diesem Modell würden Transaktionen mit höheren Beträgen weiterhin den Standardkontrollen unterliegen.“

    Unabhängig davon, ob Begriffe wie „selektiver Datenschutz“ oder „Pseudonymität“ verwendet werden, wird die vollständige Anonymität des physischen Bargelds nicht erreicht werden können. 

    „Ein genehmigungspflichtiges CBDC-System, bei dem die Teilnahme von einer vertrauenswürdigen Stelle oder einer Reihe von vertrauenswürdigen Stellen verwaltet wird, könnte bessere Ergebnisse im Hinblick auf den Schutz der Privatsphäre sensibler Finanzdaten erzielen: Die Transaktionshistorie ist in der Regel nur für eine kleine Anzahl von vertrauenswürdigen Stellen einsehbar und wird gegenüber anderen geheim gehalten.“ [OECD]

    Im Wesentlichen wird eine Art asymmetrischer Schutz der Privatsphäre angewendet. Während die Mehrheit die wahre Identität einer Person hinter einem Pseudonym (z. B. öffentliche Adresse/Schlüssel) nicht kennt und somit die Privatsphäre (z. B. private Adresse/Schlüssel) gewahrt bleibt, besteht die Möglichkeit für eine ausgewählte Gruppe von Personen oder Institutionen, die wahre Identität durch spezielle Kenntnisse und den Zugriff auf entsprechende Technologien zu ermitteln. Daher bietet die Pseudonymität keine vollständige Anonymität, sondern gewährt eine gewisse Privatsphäre gegenüber der breiten Öffentlichkeit, während sie gleichzeitig die Rückverfolgbarkeit für bestimmte autorisierte Parteien ermöglicht.

    Das ist ein wichtiger Punkt. Die Möglichkeit, die Identität einer Person hinter einem Pseudonym zu ermitteln, trägt in gewisser Weise zur weiteren Konzentration von Wissen und Macht bei. Personen oder Organisationen, die über die Ressourcen und die technischen Fähigkeiten verfügen, die Identität zu entschlüsseln, können dadurch eine erhöhte Kontrolle über die Informationen und die Handlungen derjenigen ausüben, die Pseudonyme verwenden. Dies kann insbesondere dann problematisch sein, wenn diese Macht in den Händen weniger, mächtiger Institutionen oder Regierungen liegt, was zu einem Ungleichgewicht in Bezug auf Datenschutz und individuelle Freiheit führen kann.

    In diesem Sinne ist es wichtig, dass der Einsatz von Pseudonymität in der Gesellschaft und in technologischen Systemen mit entsprechenden Schutzmechanismen und Datenschutzbestimmungen einhergeht, um den Missbrauch von Wissen und Macht zu verhindern und die individuelle Privatsphäre zu wahren. In den meisten Fällen sind staatliche oder behördliche Institutionen für die Festlegung und Durchsetzung von Datenschutzbestimmungen und Schutzmechanismen gegen Datenmissbrauch verantwortlich. Diese Institutionen werden oft von den jeweiligen Regierungen eingerichtet.

    Und diese Konstellation enthält einen impliziten Widerspruch. Der Widerspruch ergibt sich daraus, dass die Institutionen, die für den Schutz der Privatsphäre verantwortlich sind, von Regierungen gebildet werden, die gleichzeitig auch ein Interesse daran haben, mehr Daten zu sammeln und zu nutzen. In gewisser Weise ist Smart Governance die Instanz, die sich selbst regulieren muss.

    Neben dem Datenschutz der Privatsphäre der Bürger ist die Programmierbarkeit der tokenisierten Geldformen ein weiterer Aspekt, das besondere vertrauensbildende Maßnahmen erfordert. In dem Dokument „Central Bank Digital Currencies (CBDCs) and democratic values“ äußert sich die OECD zu diesem Thema wie folgt:

    „Die Programmierbarkeit könnte zwar staatlich oder von der Zentralbank initiiertes programmierbares Geld ermöglichen, das nur auf bestimmte Weise funktioniert, doch würde dies den politischen Zielen zuwiderlaufen, den Bürgern einheitliche CBDCs zur Verfügung zu stellen und das Vertrauen der Nutzer zu fördern. Die Programmierbarkeit von Zahlungen hingegen, die von den Nutzern kontrolliert wird, könnte den Nutzern erweiterte Funktionen bieten, um Regeln für ihre Zahlungen festzulegen. In einigen Fällen ist vorgesehen, dass Anbieter von Zahlungsschnittstellen und Anbieter von Schnittstellen zu externen Diensten solche programmierbaren Funktionen selbst implementieren könnten, aber sie würden die Zustimmung der Nutzer erfordern und nicht auf Anweisung des Emittenten erfolgen.“

    Die Europäische Zentralbank EZB hat programmierbares Geld ausdrücklich ausgeschlossen, befürwortet jedoch programmierbare Zahlungen. Während programmierbares Geld einen direkten Eingriff in die finanzielle Freiheit der Bürger darstellt, da es die Verwendung von Geld durch festgelegte Regeln und Bedingungen einschränken kann, ist der Einfluss der programmierbaren Zahlungen nicht sofort erkennbar. Im Kontext von Smart Contracts kann der programmierbare Zahlungsverkehr auf vielfältige Weise das Verhalten der Bürger beeinflussen, indem er automatisierte Anreize, bedingte Zahlungen, regulierungskonforme Transaktionen, Vertragsmanagement und dynamische Preisanpassungen ermöglicht. Diese Mechanismen sind darauf ausgelegt, Effizienz und Vertrauen zu erhöhen, während sie gleichzeitig das Verhalten der Beteiligten subtil und indirekt steuern.

    Smart Money wird auf jeden Fall ein leistungsfähiges Instrument der Smart Governance in modernen Gesellschaften sein, da es die Koordination aller Marktteilnehmer im Einklang mit wirtschaftlichen und politischen Zielen verbessert.

    Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die Bürger ein hohes Maß an Vertrauen in die Regierung und Finanzinstitute haben. Wenn sie das Gefühl haben, dass ihre finanzielle Privatsphäre und Freiheit bedroht sind, könnte das zu Widerstand und Ablehnung der neuen Technologien führen. Daher wird sich Smart Governance darum kümmern, dass die Bürger sich sicher fühlen. Dabei spielt es eine weniger wichtige Rolle, ob die Privatsphäre und finanzielle Freiheit tatsächlich gefährdet sind; entscheidend ist, dass die Bürger glauben, ihre Daten seien sicher und ihre Freiheit unangetastet. Dieses Gefühl der Sicherheit und des Vertrauens ist daher ein wesentlicher Faktor für den Erfolg von Smart Governance und Smart Money.

    5. Ein Blick in die Zukunft – Smart Governance in ihrer besten Form

    Wenn Sie sich über die mögliche Entwicklung der Gesellschaft unter der Ägide von Smart Governance noch unsicher sind, lohnt sich ein genauerer Blick auf die Zukunftsvision der Initiative „Tokenise Europe 2025“. Diese von der Europäischen Kommission und dem Bundesverband deutscher Banken ins Leben gerufene Initiative wird von der Unternehmensberatung Roland Berger sowie über 20 Mitgliedsorganisationen aus verschiedenen Ländern und Branchen unterstützt, um die Tokenisierung Europas voranzutreiben.

    Die Zukunft Europas wird wie folgt beschrieben:

    Im Jahr 2030 gehen wir nicht mehr „online“, denn das Online-Sein ist ein fester Bestandteil des Lebens. Technologie und digitale Dienste sind in unsere täglichen Abläufe, unsere Arbeit und unseren Lebensstil eingebettet, und das 24 Stunden am Tag.

    EIN TAG IM LEBEN EINES TOKENISIERTEN EUROPAS IM JAHR 2030

    07:00

    Draußen wird es warm. Simon ist europäischer Staatsbürger und hat einen eindeutigen digitalen Identitäts-Token in seiner Smartwatch gespeichert. Simons digitaler Personal Trainer empfängt Fitnessdaten von seiner Smartwatch, während er schläft. Simons Token-basierter digitaler Zwilling errechnet immer die beste Aktion, die er als Nächstes durchführen sollte. Der Trainer erstellt einen Tagesplan, der auf Simons Vorlieben und Fitnesszustand abgestimmt ist. Der Plan für den heutigen Tag wird bereits vor dem Weckerklingeln an alle seine elektronischen Geräte gesendet. Eine Mikrozahlung an seinen digitalen Personal Trainer wurde automatisch getätigt, noch bevor Simon aufwachte. Da auch die Wetterdaten an sein Smart Home gesendet und von seinem lokalen Sensor angepasst wurden, wird die Klimaanlage aktiviert. Simon erhält einige Münzen für die von seinem lokalen Sensor gesammelten Daten.

    07:30

    Zeit für das Frühstück! Der Kühlschrank, der das Wetter und Simons Fitnesszustand kennt, wird ihm empfehlen, heute eine leichte Mahlzeit zu sich zu nehmen. Der Kühlschrank weiß, was in ihm gelagert wird, und kennt auch Simons Vorlieben (z. B. für Bio-Lebensmittel, die vom Hersteller über einen digitalen Token mit allen Informationen über Produktion, Transport und Lieferung digital zertifiziert sind). Durch die Kombination dieser Informationen mit Simons digitaler ID und seinen Zahlungsdaten kann der Kühlschrank fehlende Lebensmittel nachbestellen. Simons Lebensmittellieferant liefert ihm die Lebensmittel innerhalb von 20 Minuten nach Hause.

    08:00

    Simon erhält einen Vorschlag von seinem Anbieter von Elektrofahrzeugen: „Simon, Sie sollten bei heißem Wetter nicht den langen Weg ins Büro laufen. Wir empfehlen, eine umweltfreundliche Fahrgemeinschaft zu nutzen. Bitte bestätigen Sie die Vorbuchung, die wir vorgenommen haben.“ Im Jahr 2030 werden alle digitalen Identitäten – die von Menschen und Maschinen gleichermaßen – in digitalen Brieftaschen gespeichert. Diese Geldbörsen enthalten auch digitales Geld, Führerscheine, Versicherungspolicen und Angaben zur registrierten Adresse usw. – in Simons Fall alles nach seinen persönlichen Vorlieben und den Regeln, die er als Eigentümer der Daten selbst festgelegt hat. Das Elektroauto, das sich über Nacht auf dem Parkplatz aufgeladen hat, steht bereit und wartet auf ihn.

    08:15

    Um eine optimale Verteilung der Autos innerhalb der Stadt zu gewährleisten, berechnen dynamische Preismodule die Nutzungsgebühren auf der Grundlage des Standorts und/oder nahe gelegener Ereignisse. Nachdem der Autoschlüssel als digitaler Zwilling an Simons Smartphone gesendet wurde, wird die Nutzungsgebühr zusätzlich zum dynamischen Preis pro Kilowattstunde anhand des Verbrauchs berechnet. Die Versicherungsgebühr ist über einen separaten Versicherungs-Token und abhängig von seinem Fahrstil zu zahlen. Heute hat er einen Rabatt erhalten, weil er auch Inhaber eines Sicherheitstokens des Carsharing-Unternehmens ist, das heute eine Dividende ausschüttet.

    08:30

    Simon arbeitet in der Logistikabteilung eines Textilunternehmens, das seine Produkte außerhalb Europas herstellt und eine globale Lieferkette hat. In der Zeit vor der Tokenisierung war die Verwaltung globaler Lieferketten eine Herausforderung, da viele Lieferanten, Zwischenhändler und Behörden in vielen verschiedenen Ländern involviert waren – eine Komplexität, die zu den nicht-digitalen bzw. papiergestützten Prozessen, Sprachbarrieren, rechtlichen Unterschieden und Zeitzonenunterschieden hinzukam. In Kombination mit digitalen Verträgen und Transaktionen hat die Tokenisierung die Transparenz, Sicherheit und Effizienz solcher Transaktionen erheblich verbessert.

    09:00-17:00

    Von seinem Büro in Berlin aus kann Simon jedes Glied der Produktionskette verfolgen. Frau Jin pflückt die Baumwolle auf einem Feld in der Region Huang-Huai-Hai, und Herr Xiao liefert die Baumwolle an die Fabrik. Ein eingebetteter Token enthält Informationen darüber, welche Arbeiter an dem Produkt gearbeitet haben und am Transport per Lkw zum Hafen und zum Schiff usw. beteiligt waren. Dies ist besonders nützlich, um sicherzustellen, dass bei jedem Schritt nachhaltige und ethische Produktions- und Transportstandards eingehalten wurden. Da die Verträge mit den Lieferanten als intelligente Verträge in einem Netzwerk mit verteilter Ledger-Technologie definiert sind, erfolgen alle Zahlungen automatisch. Wenn die vertraglichen Anforderungen erfüllt sind, wird die Zahlung automatisch von der Geldbörse des Unternehmens abgebucht, während Simon im Büro einen Kaffee trinkt. Nachdem er sich vergewissert hat, dass mit der Transaktion alles in Ordnung ist, nimmt Simon an seinem Geschäftstermin teil, der in einer Metaverse-Anwendung stattfindet.

    17:00

    Am Ende seines Arbeitstages erinnert Simons digitaler Personal Trainer ihn an seinen Sportkurs, der sich ebenfalls im Metaversum befindet. Sein Trainer, der in den USA lebt, wird auf ihn warten, so dass beide ein digitales Training absolvieren können, als ob sie sich am selben Ort befänden.

    20:00

    Nach dem Training geht Simon mit Zeynep essen. Die Rechnung für das köstliche Abendessen wird direkt an Simons Brieftasche geschickt, wo er den Trinkgeldbetrag auswählt und in digitalen Euro bezahlt. Der Anbieter der Brieftasche – seine Bank – schickt ihm jedes Mal eine Benachrichtigung, wenn eine Zahlung oder eine andere Änderung in der Brieftasche vorgenommen wird. Darüber hinaus besteht seine persönliche elektronische Brieftasche nicht nur aus Zahlungsmitteln, sondern auch aus einer Vielzahl von tokenisierten Vermögenswerten: Aktien, Stablecoins, börsengehandelte Fonds (ETFs) und Unternehmensanleihen. Einige seiner Freunde besitzen auf die gleiche Weise sogar Teile von Oldtimern, Kunstwerken, Häusern und anderen Gegenständen. Dies ist möglich, weil früher illiquide Anlageklassen, hochpreisige Vermögenswerte und teure Transaktionen heute in kleinen Bruchteilen digital und fast ohne Transaktionskosten erworben und verarbeitet werden können.

    Zu Hause angekommen, sieht sich Simon ein letztes Mal die neuesten Nachrichten im Metaversum an, die auf seinen selbst definierten Vorlieben basieren. Dann macht er Schluss für heute.

    6. Smart Resistance

    Entspricht diese Zukunftsvision, die von der Europäischen Kommission und dem Bundesverband deutscher Banken entwickelt wurde, Ihren Vorstellungen? Möchten Sie einen vergleichbaren Alltag wie Simon führen?

    Wenn ja, dann herzlichen Glückwunsch! Sie werden wahrscheinlich eine vorbehaltlose Liebesgeschichte mit der vernetzten und kooperativen Umgebung erleben, in der öffentliche und private Akteure zusammenarbeiten, um eine nachhaltige und lebenswerte Gesellschaft zu fördern.

    Wenn diese Vision bei Ihnen gemischte Gefühle auslöst, könnte Ihre Beziehung zum Smart Governance System eher eine Liebesgeschichte mit Vorbehalten sein. Trotz der wahrgenommenen Vorteile des neuen Systems hoffen Sie möglicherweise darauf, dass die Regierung ein starkes Demokratieverständnis zeigt und die potenziellen Nachteile des Systems abmildert oder zumindest berücksichtigt.

    Die Geschichte hat uns jedoch gelehrt, dass sich das Demokratieverständnis im Laufe der Zeit verändern kann. Es wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter gesellschaftliche Entwicklungen, politische Ereignisse, kulturelle Veränderungen und individuelle Erfahrungen. Zum Beispiel können sich technologische Fortschritte, wirtschaftliche Bedingungen oder politische Krisen auf die Wahrnehmung und Interpretation von Demokratie auswirken. Medien und politische Diskurse können dazu beitragen, dass sich die Vorstellungen und Erwartungen bezüglich Demokratie im Laufe der Zeit ändern.

    Wenn Sie die Vision ablehnen, vergessen Sie nicht, dass Michel Foucaults Theorie besagt, dass Macht und Widerstand untrennbar miteinander verbunden sind. In einer Welt, die zunehmend von Technologie und Daten geprägt ist, werden sich auch die Formen des Widerstands weiterentwickeln. Diese werden sich ebenfalls moderner Technologien bedienen, um gegen die Machtstrukturen der Smart Governance vorzugehen. Diese Bewegung kann als Smart Resistance bezeichnet werden.

    Der intelligente Widerstand könnte auf fortschrittliche Technologien wie Verschlüsselung, anonymisierende Netzwerke (z. B. Tor), dezentrale Plattformen und Blockchain zurückgreifen, um den Datenschutz zu wahren und Überwachung zu umgehen. Aktivisten könnten sich sozialer Medien, Online-Petitionen und digitaler Kampagnen bedienen, um Aufmerksamkeit zu erregen, Bewusstsein zu schaffen und politische Veränderungen zu fordern. Hackergruppen könnten Schwachstellen in den Systemen der Smart Governance aufdecken, um Missbrauch und Korruption zu enthüllen oder die Funktionsweise der Überwachungssysteme zu stören. Whistleblower innerhalb der Organisationen könnten interne Informationen an die Öffentlichkeit bringen, um Missstände und Übergriffe zu enthüllen.

    Rechts- und Lobbyarbeit werden ebenfalls eine wichtige Rolle spielen, indem Gruppen und Einzelpersonen rechtliche Mittel nutzen, um gegen unfaire oder illegale Praktiken vorzugehen und durch Lobbyarbeit Einfluss auf politische Entscheidungen zu nehmen. Bildung und Aufklärung der Öffentlichkeit über die Risiken und Herausforderungen von Smart Governance wird es Bürgern ermöglichen, besser informiert und kritischer zu denken sowie sich aktiv zu engagieren. Kulturelle Ausdrucksformen wie Kunst und Literatur können zudem eine Plattform für Kritik und alternative Perspektiven bieten. Schließlich wird die Entwicklung und Nutzung alternativer Technologien, wie Open-Source-Software, dezentrale soziale Netzwerke und sichere Kommunikationsplattformen, mehr Autonomie und Datenschutz fördern.

    Michel Foucault betrachtete Widerstand als spezifische Kämpfe gegen die alltäglichen Ausübungen von Macht, nicht als Kampf gegen die Existenz von Macht insgesamt. Machtverhältnisse sind tief in den gesellschaftlichen Strukturen verankert und können nicht einfach beseitigt werden; sie können nicht radikal abgeschafft werden. Dies bedeutet, dass Smart Resistance die Smart Governance nicht vollständig beseitigen wird, sondern vielmehr bestätigt und formt.

    Smart Resistance agiert innerhalb der bestehenden Machtstrukturen, nutzt ähnliche Technologien und Methoden, um gegen spezifische Auswüchse von Macht zu kämpfen. Diese Form des Widerstands hinterfragt und transformiert die Praktiken der Smart Governance, aber sie beseitigt nicht die grundlegende Existenz von Smart Governance. Stattdessen trägt Smart Resistance dazu bei, diese Machtverhältnisse zu überprüfen, zu balancieren und möglicherweise gerechter und transparenter zu gestalten. In diesem dynamischen Wechselspiel zwischen Macht und Widerstand wird Smart Governance nicht abgeschafft, sondern weiterentwickelt und angepasst, um den sich ständig verändernden Anforderungen und Herausforderungen gerecht zu werden.

    In einfachen Worten kann die Smart Resistance dafür sorgen, dass aus Smart Governance keine „Smeart“ Governance wird.

    7. Epilog – Ist Smart Governance wirklich alternativlos?

    Die Welt selbst ist in ihrer physischen, natürlichen Form analog.

    Die meisten natürlichen Phänomene sind kontinuierlich und nicht diskret. Temperatur, Lichtintensität und Klangwellen ändern sich kontinuierlich über Zeit und Raum, was typisch für analoge Signale ist. Die physische Realität besteht aus Materie und Energie in einem stetigen Fluss. Objekte bewegen sich auf kontinuierlichen Pfaden, und Größen wie Geschwindigkeit und Beschleunigung sind ebenfalls kontinuierlich. Lebensprozesse wie Herzschlag, neuronale Aktivitäten und Photosynthese sind Beispiele für analoge Systeme in der Natur. Auch unsere Sinne arbeiten analog: Augen nehmen Licht als kontinuierliches Spektrum wahr, Ohren erfassen Schallwellen stetig, und Hautsensoren reagieren auf Temperatur- und Druckveränderungen.

    Digitale Technologien beruhen auf der Diskretisierung von Informationen, wobei analoge Signale in binäre Codes umgewandelt werden. Diese Digitalisierung ermöglicht präzise Verarbeitung, Speicherung und Übertragung von Daten, was in vielen modernen Anwendungen vorteilhaft ist. Die digitale Welt bietet enorme Vorteile in Bezug auf Effizienz, Genauigkeit und Zugänglichkeit. Die Koexistenz von analog und digital schafft eine hybride Realität, in der wir leben und arbeiten. Die Herausforderung besteht darin, diese beiden Welten harmonisch zu integrieren, um die Vorteile beider Ansätze zu nutzen.

    Der technologische Fortschritt ist eine natürliche Folge menschlicher Neugier, Forschung und Innovation. Wirtschaftliche Anreize und Wettbewerbsfähigkeit treiben oft diese Innovationen voran, wodurch es praktisch unmöglich ist, den technologischen Fortschritt aufzuhalten. Die Herausforderung für die Gesellschaft besteht darin, diesen Fortschritt so zu gestalten, dass er die Bedürfnisse und Werte der Menschen respektiert und fördert. Dazu sind angemessene Regulierung und Governance erforderlich, um Risiken zu minimieren und sicherzustellen, dass neue Technologien im Einklang mit gesellschaftlichen Werten eingesetzt werden.

    Die Smart Governance ist nicht nur eine Reaktion auf den technologischen Fortschritt, sondern nutzt diesen aktiv für die Umsetzung ihrer Ziele. In der modernen Welt, die zunehmend von Technologie und Daten bestimmt wird, erscheint sie oft als unvermeidlicher Schritt in der Evolution von Governance-Modellen.

    Smart Governance basiert in der Regel auf der Analyse und Nutzung großer Datenmengen, um Entscheidungen zu treffen und Prozesse zu optimieren. Dies bedeutet jedoch nicht zwangsläufig, dass diese Entscheidungen von Weisheit geleitet werden.

    ‚Wissen‘ bezieht sich auf die Kenntnis und das Verständnis von Fakten, Informationen und Zusammenhängen. Es basiert auf objektiven Daten und empirischen Erkenntnissen. Im Gegensatz dazu bezieht sich ‚Weisheit‘ auf eine tiefere Ebene des Verständnisses und der Einsicht. Sie umfasst die Fähigkeit, Wissen anzuwenden, um moralische Urteile zu fällen, komplexe Situationen zu verstehen und die Auswirkungen von Entscheidungen auf Menschen und Gesellschaft zu berücksichtigen.

    Wissen ist messbar und oft objektiv, erlangt durch Datenanalyse, Forschung und Erfahrung. Weisheit hingegen ist subjektiver und umfasst emotionale Intelligenz und moralische Einsichten. Während Wissen häufig zur Lösung praktischer Probleme und zur Förderung technologischer Fortschritte angewendet wird, konzentriert sich Weisheit eher auf ethische Orientierung und langfristige Auswirkungen von Entscheidungen. Wissen kann sich schnell ändern und weiterentwickeln, während Weisheit durch Lebenserfahrung und Reflexion über längere Zeit entsteht. Wissen ist das Ergebnis intellektuellen Lernens und Ausbildung, während Weisheit mit Reife und dem Verständnis sozialer und emotionaler Dynamiken verbunden ist.

    Weisheit erfordert die Fähigkeit, Balance und Harmonie in komplexen Situationen zu finden. Sie beinhaltet Empathie und Respekt vor den Bedürfnissen und Wünschen anderer sowie die Berücksichtigung langfristiger Auswirkungen und Konsequenzen. Weisheit bedeutet auch, Gerechtigkeit und Fairness zu gewährleisten. Eine weise Führung erkennt an, dass sich technologische Entwicklungen und gesellschaftliche Bedürfnisse ständig weiterentwickeln. Die Fähigkeit, flexibel auf diese Veränderungen zu reagieren und dabei die Grundprinzipien von Balance und Respekt beizubehalten, ist ein Zeichen von Weisheit.

    In Bezug auf Smart Governance bedeutet dies, dass Daten und technologische Lösungen allein nicht ausreichen, um komplexe soziale und politische Probleme zu lösen. Die Integration von Weisheit ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Entscheidungen gerecht, nachhaltig und im besten Interesse der Gesellschaft getroffen werden. Smart Governance sollte daher nicht nur auf das Sammeln und Analysieren von Daten setzen, sondern auch auf die Förderung weiser Führung und ethischer Verantwortung, um eine harmonische und menschliche Entwicklung zu unterstützen.

    Sie sollte die Vielfalt der Lebensstile anerkennen und respektieren, indem es sowohl digitale als auch analoge Optionen für den Zugang zu Dienstleistungen und die Teilnahme am öffentlichen Leben bereitstellt. Bürger sollten die Wahlfreiheit haben, in welchem Maße sie digitale Technologien nutzen möchten, ohne dazu gezwungen zu werden. Ein Recht auf analoges Leben erfordert, dass analoge Systeme barrierefrei und benutzerfreundlich bleiben, einschließlich physischer Behörden und papierbasierter Formulare. Unterstützungsdienste sollten angeboten werden, um Menschen zu helfen, die Schwierigkeiten mit digitalen Technologien haben.

    Der Schutz der Privatsphäre ist besonders wichtig, unabhängig davon, ob Bürger digitale oder analoge Lebensstile bevorzugen. Bildungsprogramme sollten Bürger darin unterstützen, fundierte Entscheidungen über die Nutzung digitaler Technologien zu treffen, während sie die Möglichkeiten eines analogen Lebensstils betonen. Gesetzliche Rahmenbedingungen müssen das Recht auf ein analoges Leben schützen und sicherstellen, dass analoge Optionen in öffentlichen und privaten Dienstleistungen erhalten bleiben. Die Koexistenz von Smart Governance und dem Recht auf ein analoges Leben erfordert eine Balance zwischen technologischem Fortschritt und dem Respekt vor individuellen Lebensstilen. Durch die Integration dieser Prinzipien kann eine weise Führung sicherstellen, dass technologische Innovationen allen zugutekommen, ohne die Vielfalt menschlicher Lebensweisen zu gefährden.

    Quellen (Stand vom 16.07.2024)

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  • CBDC – A Love Story with Reservations

    CBDC – A Love Story with Reservations

    „People need to understand finance. At the present moment I think that maybe 1% of the population really understands how the financial system really works.“
    Yuval Noah Harari, BIS Innovation Summit, May 2024

    Foreword

    At the beginning, there was the need. It is the primal instinct that has existed since the dawn of humanity – the desire to secure our survival, enhance our well-being, and find our satisfaction. These fundamental needs for food, shelter, and social connection were the driving force behind our quest for solutions. We started to grow food together, protect ourselves, and establish social networks.

    As we began to produce goods and services, we specialized in what we did best. This specialization allowed us to perfect our skills and produce more of what we excelled at. If someone was particularly good at making clothes and another excelled at growing food, trade was the logical consequence. Through exchange, we were able to make the best use of our resources and at the same time expand our variety of products and services.

    In the earliest societies, trade began at the local level, where communities exchanged their surpluses to meet their individual needs. Trade not only brought a greater variety of products and services but also economic efficiency. In short, trade is a natural response to our needs and an essential part of human interaction and collaboration. In the past, trade was primarily based on bartering. However, this presented its own challenges.

    Then came money. Money made trade simpler and more efficient by representing a fixed value and eliminating the need for direct bartering. It also allowed us to save and plan for the future. The history of money spans from the Neolithic Revolution about 10,000 years ago to the present, with the monetary system continually evolving and adapting to technological advancements.

    Initially, shells, grain or livestock were used as a means of payment. Later, coins and paper money appeared. Over time, the banking system and modern currencies as we know them today emerged. With the advent of computers, the internet, smartphones and wireless communication in the 21st century, the digitalization of finance began. This led to the emergence of various electronic payment methods such as credit cards, online bank transfers and cryptocurrencies. Since 2021, there has been increasing discussion about the introduction of CBDC (Central Bank Digital Currency) for the general public.

    This article provides an understandable overview of the evolution of monetary systems and key technological developments that will serve as the basis for the future financial system. It sheds light on backgrounds and interesting connections that drive the global efforts to introduce CBDCs as the next milestone in the history of money. We will also take a look at the potential impacts that the introduction of CBDCs could have on our economic, political, social, and cultural life.

    1. Monetary systems and their development
    1.1. What is money?
    1.2. Commodity money
    1.3. Representative money
    1.4. Fiat money

    2. The Fiat system – Alice in Wonderland
    2.1. Primary money creation
    2.2. Secondary money creation
    2.2.1. Secondary money creation via customer deposits
    2.2.2. Secondary money creation through lending
    2.3. The influence of central bank policy on the money supply
    2.4. The risks of loose monetary policy and its effects
    2.5. The digitalization trend

    3. Cryptocurrencies – All roads lead to Rome
    3.1. Distributed Ledger Technology (DLT)
    3.2. Blockchain-Technology
    3.3. The Token – The Swiss Army Knife
    3.4. Centralized vs. Decentralized Ledger System
    3.5. Bitcoin (BTC) – Get Rich or Die Tryin’
    3.6. Tether (USDT) – Safe Haven (In God We Trust)
    3.7. Libra – The King is Dead, Long Live the King!
    3.8. Ethereum – Code is Law
    3.8.1. Chainlink – Oracles, mediators between the gods and humans
    3.8.2. Behind the scenes – Shadows on the wall
    3.9. Interim balance

    4. CBDC – The Digital EURO – A New Star is Born
    4.1. Wholesale CBDC – Nature does not make leaps (or does it)
    4.2. Commercial Bank Money Token (CBMT) – Those who do not go with the times, perish with time.
    4.3. Retail-CBDC – Heaven Is a Place on Earth

    5. A glance into the future – Welcome to the tokenisation continuum

    6. Epilogue

    1. Monetary systems and their development

    1.1. What is money?

    Money is essentially a tool that facilitates our ability to obtain things we want or need without having to directly exchange them for other items. Imagine you have an apple that you want to trade for a banana, but your friend doesn’t have a banana; instead, he has something else you don’t necessarily need. This is where money comes into play. You can exchange your apple for money. Then, you can use this money to buy a banana from someone else who has bananas. So, money acts as a „middleman” of sorts in the exchange of goods. It allows us to buy and sell goods and services easily without having to worry about the direct exchange of goods.

    The above example works because money serves as a generally accepted medium of exchange. It has an agreed-upon value that people accept and it facilitates the exchange of goods and services, even if they cannot be exchanged directly.

    In this example, everyone involved has confidence in the acceptance of money as a means of payment. If you exchange your apple for money, you assume that you can later use this money to buy something else that you want, such as a banana.

    Money represents value. However, for money to have value, people must trust that it indeed has value and will continue to hold value in the future, which they can utilize -> Money = Value = Trust.

    Every monetary system that has developed throughout history has been a response to the needs and challenges of its time. Let us now take a brief look at how monetary systems have evolved over time.

    1.2. Commodity money

    As already mentioned, monetary systems arose out of the need to facilitate trade and the exchange of goods and services. Compared to moneyless barter, the use of a certain commodity that could be easily exchanged proved to be more efficient. Examples of such means of exchange were shells, livestock, grain, cocoa beans or precious metals such as gold and silver. These objects had an intrinsic value (actual, fundamental value) or were considered valuable, which made them an acceptable medium of exchange. This oldest form of money is called commodity money.

    Fig. 1: Commodity Money

    Precious metals turned out to be particularly suitable for use as commodity money, mainly due to their high durability. However, these metals had to be laboriously weighed and divided as required. Therefore, the next logical development step was the production of coins or bars that had a fixed precious metal content and a specific nominal value.

    1.3. Representative money

    Over the course of history, people found it cumbersome to transport gold bars or other forms of commodity money over long distances. For this reason, paper money eventually emerged from these mediums of exchange, serving as the basis for representative money. Representative money is backed by a physical object or commodity. A simple example of representative money is a gold certificate.

    Suppose you own a gold certificate that states it entitles you to a certain amount of gold, for example, one ounce of gold. The certificate itself is not physical gold but a promise that the holder of this certificate will receive a specified amount of gold from a designated place, such as a bank or a gold repository.

    Now you can use this gold certificate to buy goods or services. For example, if you want to buy a bicycle, you can give the seller the gold certificate. The seller accepts the certificate because he trusts that he can later redeem it at the bank or gold repository for an actual ounce of gold.

    In this way, the gold certificate represents the value of the gold. It facilitates trading without physical gold actually having to change hands.

    Banknotes and coins can also take on the role of the gold certificate in the above example. Suppose, instead of a gold certificate, you have banknotes issued by the bank that represent the value of a certain amount of gold (e.g. 1,000 US dollars for a gold bar). These banknotes can then be used as a means of payment to buy goods or services. The seller accepts the banknotes because they trust that they can redeem them at the bank for the equivalent value in gold if needed.

    The money itself has no intrinsic value but represents the value of the underlying asset and is used as a medium of exchange.

    Fig. 2: Representative money

    Banknotes proved to be not only much more convenient but also allowed people to, for example, spend a dollar bill for a cup of coffee without having to cut their gold bar into a thousand pieces. If they wanted their money back, they simply brought the dollar bills back to the bank to redeem them for the actual form of money, in this case, the gold bar, whenever they needed it. In this way, paper began to be used as a practical and convenient means of payment.

    1.4. Fiat money

    However, in the 20th century, a combination of economic and political factors led to the severance of this link between paper money and the gold it represents.

    During the two World Wars, many countries had to use a large portion of their gold reserves to cover the costs of the war. To inject more money into circulation, some countries temporarily abandoned the gold standard. This led to increased inflation and currency instability.

    During economic crises like the Great Depression or economic downturns, countries couldn’t effectively and flexibly respond due to the rigid monetary constraints of the gold standard. This led to prolonged recessions and increased unemployment.

    After the Second World War, the global economy again experienced strong growth and an increase in international trade. However, the strict limitations of the gold standard proved to be detrimental to the flexibility of monetary policy to respond to such economic changes.

    From a political point of view, the gold standard was seen as a restriction that limited governments‘ freedom of action and prevented them from pursuing a proactive economic policy.

    It suffices to say that governments assured their citizens that they themselves would guarantee the value of this paper money. Society agreed to trade with paper money based solely on the promise of governments. Thus, the so-called fiat currency emerged.

    Fiat money is money that derives its value not from a physical asset such as gold or silver, but from the trust and acceptance of the people and the authority of the government that issues it. A simple example of fiat money is the paper money or coins we use every day. The value of these bills and coins is supported by the trust that they are accepted as a means of payment and guaranteed by the government that issues them. As long as people have confidence in the stability and value of fiat money, it retains its value and function as a medium of exchange.

    Fig. 3: Fiat money

    A compact yet comprehensive explanation and overview of this topic is provided by the video contribution „What is money? The value of money explained simply” by Finance Fellows.

    2. The Fiat system – Alice in Wonderland

    „It is well enough that people of the nation do not understand our banking and monetary system, for if they did, I believe there would be a revolution before tomorrow morning.”
    Henry Ford

    Over time, the trust model has changed – from the trustworthiness of a material object such as gold to trust in institutions such as central banks.

    In the fiat system, governments determine the value of a currency and declare it as legal tender. It is the government’s responsibility to decide whether a medium of exchange is recognized for financial transactions, commercial settlements, or general trade within a country or jurisdiction.

    The fiat banking system includes a range of banks, including central banks and commercial banks, as shown in the following figure.

    Fig. 4: Banking System within the Framework of the Fiat Financial System

    The central bank is the highest banking authority in a country and is responsible for managing monetary policy and regulating the money supply in circulation. It is the only institution authorized to issue legal tender. The central bank influences the flow of money by setting interest rates, printing money or withdrawing it from circulation, and implementing other monetary policies to promote the stability of the currency and the economy. This also includes monitoring the banking system. Central banks are usually established and supervised as independent institutions by a country’s government. They often collaborate with other government agencies and international institutions to support economic stability.

    Commercial banks are private banks that provide financial services to individuals, businesses and other organizations. They accept deposits, grant loans, facilitate transactions and offer other banking services. These banks use the currency units issued by the central bank to conduct business and settle transactions.

    Each commercial bank is required to maintain an account with the central bank, known as a central bank account. In this account, the commercial bank has a credit balance that it can use to receive cash from the central bank or to transfer cash to it. This credit balance, along with the physical cash issued by the central bank, is collectively referred to as central bank money, as it is exclusively created by the central bank.

    Fig. 5: Central bank accounts of commercial banks

    The central bank balances of commercial banks can arise in various ways. On the one hand, the central bank grants these banks loans, which are then recorded as credit balances on the commercial bank’s account. In order to receive these loans, the commercial banks must deposit collateral such as securities and pay interest on them.  

    Securities are papers that represent a certain value. They can include, for example, stocks, bonds, or investment fund shares.
    Stocks are shares in a company. When you buy a stock, you own a small part of that company.
    Bonds are debt securities. When you buy a bond, you are lending money to the issuer (such as a government or a company) and, in return, receive interest payments and the borrowed money back at a later date.
    Investment fund shares are part of a fund that is managed by a fund manager. This fund invests the money of many investors in a variety of securities in order to spread the risk.

    On the other hand, central bank balances can also arise when the central bank acquires assets such as real estate, government bonds, or gold from commercial banks. In this case, the central bank credits the purchase amount to the account of the respective commercial bank.

    Fig. 6: Creation of credit balances on central bank accounts

    Additionally, commercial banks are required to maintain a minimum balance on their central bank accounts, known as the minimum reserve. This minimum reserve is determined by the central bank. It calculates this by summing the deposits across all commercial bank accounts and multiplying this total by a specified percentage.

    Fig. 7: Minimum reserve banking system

    The function of a central bank balance is to enable commercial banks to provide cash to their customers when needed. For example, when customers want to withdraw money, commercial banks must ensure they have enough cash reserves to meet this demand. This requires commercial banks to access and utilize their balances with the central bank to procure cash.

    Furthermore, the central bank balances of commercial banks are needed for non-cash payments between banks. When one commercial bank wants to transfer money to another commercial bank, this transaction is typically settled through their balances with the central bank.

    Fiat Lux – Money out of Nothing

    In reference to the biblical phrase „Fiat Lux”, the term „Fiat money” refers to money being created „out of nothing” in a sense. The following explanations illustrate this process.

    2.1. Primary money creation

    The process begins with a government mandate. Suppose the government decides to inject an additional 100 million euros into circulation to stimulate the economy. The central bank is responsible for implementing this mandate, for example, by providing this amount to commercial banks as credit. This increases the credit balance on the commercial banks‘ central bank accounts. They can then withdraw a portion or the entire sum in cash from their central bank accounts. To provide the additional cash, the corresponding banknotes are subsequently printed and transported to the vaults of the commercial banks using cash transporters.

    The 100 million euros are literally created out of nothing, as they are not backed by an intrinsic value such as gold or silver. But that’s just the first part of the money creation chain.

    Fig. 8: Primary money creation: In this example, the commercial bank withdraws 20% of the sum in cash to service short-term cash withdrawals by its customers. The remaining 80% of the sum serves as collateral at the central bank and enables the commercial bank to grant loans to its customers.

    2.2. Secondary money creation

    As already mentioned, commercial banks act as intermediaries between the central bank and the general public within the fiat financial system. They accept deposits from individuals and companies and hold a portion of these deposits in reserve. The banks use the rest to grant loans and earn interest income. In this way, the banking system plays an important role in the creation and distribution of money in the economic cycle.

    2.2.1. Secondary money creation via customer deposits

    Suppose Alice has received EUR 100 in cash from her grandmother for her birthday. As she doesn’t want to carry the cash with her all the time, she decides to deposit it in her bank account at Bank A. This converts the cash into book money, also known as scriptural money.

    The bank books Alice’s deposit on the liabilities side of its balance sheet. For the bank, this deposit represents a liability, as it owes Alice EUR 100 in cash. To balance the balance sheet, the bank posts the EUR 100 to its reserves. As a result, the EUR 100 are physically deposited in the bank’s vault and increase the bank’s assets.

    Fig. 9: Conversion of cash into book money

    In most jurisdictions, a bank deposit is not considered a security deposit. This means that the money deposited no longer remains in the customer’s possession. Instead, the money becomes the property of the bank and the customer receives in exchange an asset known as a deposit account (current or savings account). This deposit account is shown as a liability on the bank’s balance sheet. In simple terms, this means that a customer effectively gives their money to the bank, which keeps it in its possession. In return, the customer receives a promise from the bank to get their money back at a later date or as required. This promise is usually documented by the customer’s deposit account, which is a liability of the bank.

    As the money now effectively belongs to the bank, it uses it to make a profit by lending it out further. This is where the concept of fractional reserves comes into play. Minimum reserves are an essential part of banking and are applied worldwide. It states that banks that accept deposits from the public must only hold a portion of these deposits as a reserve in liquid assets. These bank reserves can be held either as cash in the commercial bank’s vaults or as balances in the commercial bank’s account with the central bank. As described above, the central bank of a country has the power to determine a fixed amount of reserves that banks must hold. This amount is referred to as the „reserve requirement” or „reserve ratio”. [Fractional-reserve banking]

    In our example, we assume that the minimum reserve ratio is 10%. This means that Alice’s bank can grant an amount of EUR 90 as a loan. If the borrower buys a bicycle with this EUR 90 and transfers the money to the bicycle seller’s account at Bank B, Bank B has a liability to the bicycle seller in the amount of EUR 90. In order to balance its balance sheet, Bank B transfers this EUR 90 as a reserve, which it books as part of its assets.

    The original EUR 100 in cash has now become EUR 190 in book money. After the next cycle, this will become EUR 271.

     Fig. 10: Secondary money creation via deposits

    After each new round of lending, the amount of book money increases. With a minimum reserve ratio of 10%, up to EUR 1,000 of book money can be created from EUR 100 of central bank money (in the form of cash).

    The maximum amount of book money that can be created out of nothing depends on the minimum reserve ratio. The money creation multiplier is calculated as follows:

    Fig. 11: Money creation multiplier

    This example demonstrates the secondary creation of money from customer deposits at commercial banks. How this process takes place in the case of lending can be illustrated as follows.

    2.2.2. Secondary money creation through lending

    Suppose Alice’s family wants to buy a house and applies for a loan of EUR 100,000 from their commercial bank. The bank approves the loan and posts the amount of EUR 100,000 to the family’s bank account. In this scenario, the bank does not use the money from its customers‘ deposits, but borrows it from the central bank.

    With a minimum reserve ratio of 10%, the commercial bank only needs EUR 10,000 in central bank money to grant a loan of EUR 100,000 in the form of book money. This creates an additional EUR 90,000 in book money out of nothing. The bank books the loan amount on the assets side of its balance sheet, which means that the bank recognizes the claim to repayment of the loan as an asset on its balance sheet. The bank can therefore use part of the approved loan as a basis for granting new loans. This creates new book money, as the bank grants loans that exceed the original deposit. This process is known as the multiplier of lending and contributes to the expansion of the money supply in the economy.

    The family can now pay tradesmen and construction companies, who in turn buy building materials and pay wages to their employees. The book money is then transferred to other commercial banks, which can lend it again according to the principle described in chapter 2.2.1.

    Fig. 12: Secondary money creation through lending

    All in all, this means that considerably more money can be lent than was originally put into circulation.

    2.3. The influence of central bank policy on the money supply

    By defining the minimum reserve ratio, the central bank can indirectly influence the book money supply.

    In addition to the minimum reserve rate, the central bank can influence monetary policy through the so-called key interest rate. The key interest rate is the interest rate at which commercial banks can borrow money from the central bank. If the central bank lowers the key interest rate, the supply of credit is increased and the economy is stimulated, as it becomes cheaper for commercial banks to borrow money and pass it on to companies and consumers. When the central bank raises the prime rate, this usually dampens inflation by making it more expensive to borrow money, which reduces consumer spending and business investment. The prime rate therefore has a significant impact on borrowing costs, the availability of credit and therefore the overall economic environment. That’s the theory, at least.

    A minimum reserve of 10% was assumed in our calculation examples. The European Central Bank (ECB) stipulates a minimum reserve of just 1%.

    Conclusion: Fiat money is created through a combination of government authority, central bank action, commercial bank lending and fractional reserve banking. It is based on trust in the government and the financial system, not on an intrinsic value of the currency.

    2.4. The risks of loose monetary policy and its effects

    Some consider this dynamic as a collective illusion. But what is this claim based on?

    Central banks, by controlling the money supply and influencing interest rates, can lead to over-lending and excessive debt through loose monetary policy. The fiat money system allows banks to lend substantial amounts without adequate collateral or risk assessment, leading to an increase in risky loans.

    This practice enables the creation of complex financial products that can spread and obscure risks, increasing the vulnerability of the financial system to shocks. Additionally, government bailout actions incentivize risky behavior, as banks and financial institutions may assume they will be supported in case of trouble, leading to excessive risk-taking and engagement in risky transactions.

    A balanced money supply in circulation is considered a crucial driver of economic growth. However, a rapid increase in the money supply without corresponding real economic growth can lead to overvaluation of assets such as stocks, real estate, or commodities. This poses the risk of asset bubbles, the instability of which can manifest in the long term and lead to sudden price corrections or economic turbulence.

    Such a scenario emerged in the first few years of this century. For a long period of time, commercial banks speculated that residential real estate prices in the USA would rise inexorably. A loose monetary policy with low interest rates and generous lending made it possible for even people without a regular income to obtain real estate loans. The banks regarded the residential properties they financed as the sole collateral for the loans, which boosted demand for real estate and drove prices up irrationally.

    An economic downturn, accompanied by interest rate hikes by the US Federal Reserve, meant that more and more borrowers were no longer able to service their rising home loan installments. This forced a growing number of people to sell their properties, which in turn led to a collapse in property prices. However, as these properties served as collateral for the loans granted, the house of cards collapsed and the commercial banks suffered massive financial losses.

    Trust between the banks was shaken, causing them to stop lending money to each other. As a result, the renowned investment bank Lehman Brothers was unable to refinance itself, became illiquid and went bankrupt. This chain reaction not only spread to the banking system, but also had an impact on the real economy. Companies suddenly found it difficult to obtain credit and the consequences were inevitable.

    Due to the global interconnection and digitalization of the financial system, the shockwaves of this crisis quickly spread around the world. The crisis in one area of the financial system could quickly spill over into other areas, thus increasing the danger of system-wide risks.

    Conclusion: The structure of the fiat money system facilitated the global financial crisis of 2007-2008, which led to a loss of confidence in the financial system and serious economic consequences worldwide.

    To counteract this severe crisis, both the European Central Bank (ECB) and the US Federal Reserve (FED) intervened massively, lowering the key interest rate to zero percent over extended periods. Their goal was to facilitate commercial banks‘ access to central bank money, circulate it in the form of book money, and stimulate the economy by granting new loans.

    As a result of this policy, the money supply M3 in the Eurozone has continuously grown over the past 20 years – from 4.67 trillion EUR in 1999 to over 16 trillion EUR in 2023.

    The money supply M3 is a measure of the total money available in an economy that is readily accessible. It includes not only cash and coins but also money in bank accounts, savings deposits, short-term investments like money market funds, and similar liquid assets. This broader definition allows for capturing the overall liquidity of an economy, meaning how much money is available in total for purchasing goods or making investments.

    Fig. 13: Development of the money supply M3 in the Eurozone from 1999 to 2023 [statista]

    However, the velocity of money circulation in the Eurozone has decreased over the past 20 years, which can be attributed to various factors. These include the impacts of the 2007-2008 financial crisis, changed credit conditions, the monetary policies of the European Central Bank (ECB), as well as structural changes in the economy.

    Fig. 14: Velocity of money in the Eurozone from 1995 to 2023 [TAGESGELDVERGLEICH.net]

    In macroeconomic terms, the velocity of money is an important indicator of the activity and pace of economic activity in a country or economic region. It shows how quickly money circulates through the economic system and how efficiently it is used for the purchase of goods and services.

    A high velocity of money in circulation often indicates a vibrant economy where many transactions take place and money is passed quickly from one hand to the next. This can be a sign of a high level of economic activity and growth. A faster velocity also means that the same money is used more often, which increases the multiplier effect and helps to increase gross domestic product (GDP).

    On the other hand, a low velocity of money can indicate economic problems. If money circulates slowly and transactions decrease, this can be a sign of economic stagnation or lower demand for goods and services. This can lead to deflationary tendencies and affect economic activity.

    A decreasing velocity of money alongside an increasing money supply can pose a challenge for central banks, as this could indicate that monetary policy measures are becoming less effective. In such a situation, central banks may consider additional measures to increase the velocity of money and stimulate economic activity.

    A decline in the velocity of money could indicate a loss of confidence in the financial system or the general economic situation, leading people to hoard their money or reduce consumption.

    Conclusion: The effectiveness of central banks‘ monetary policy measures is reaching its limits and points to structural problems in the existing financial system.

    2.5. The digitalization trend

    The evolution of money goes hand in hand with the progress of technology. The rapid advancements in areas such as computer technology, the internet, smartphones, wireless communication, and artificial intelligence have made this relationship increasingly complex. These technological advances have contributed to the predominance of digital forms of money in modern societies, supported by complex financial systems and digital transactions. Physical cash is increasingly being replaced by digital alternatives such as debit and credit cards, electronic wallets or apps, as well as digital deposits at commercial banks.

    Since 2020, many of us have become aware that we are living in a time of change, bringing comprehensive transformations that affect society as a whole. The ongoing digitalization across industrial, public, and private sectors has further increased the acceptance of digital currencies. Digitalization also amplifies the concentration of power and data in the hands of a few large financial institutions or technology companies. This raises risks associated with monopolistic practices and data privacy.

    In parallel, the use of algorithmic trading strategies and high-frequency trading in financial markets could lead to unpredictable price fluctuations and more volatile markets, increasing the risk of financial crises. Digitalization has heightened the complexity and opacity of the financial system, especially in the realm of derivatives and structured financial products. This complexity could make it more challenging to detect and manage financial crises.

    Derivatives are contracts that derive their value from the price of other things. There are various types of derivatives, but two of the most common are options and futures. Imagine you go to the market and buy an apple. You know the price for an apple is 1 euro. Now, imagine you could enter into a contract that gives you the right to buy that apple at the same price in a week, regardless of how the price may change in the meantime. That’s an option. A future would be placing an order for an apple at a fixed price, but the delivery is scheduled for a week later. In both cases, people are seeking to hedge against or profit from price changes without immediately buying the apple.

    Now, imagine you’re in a candy store and you want to buy a variety of candies, but you don’t want just one type. So, you ask the store owner to put together a bag with a mix of different candies. Structured financial products are similar. Banks and financial institutions bundle various types of investments like loans, mortgages, or debts and then sell them as a package to investors. These packages have different parts with varying risks and returns. Some parts are safer, while others are riskier. The idea is that investors can choose which parts to invest in, depending on how much risk they want to take. These packages can be very complicated, and sometimes even experts don’t fully understand what’s inside. This can lead to problems if things don’t go as planned.

    Conclusion: The trend towards digitalization exacerbates the structural weaknesses of the fiat financial system and poses new complex challenges for regulatory authorities to ensure the long-term stability of the financial system under these conditions. This raises the question of how the existing fiat financial system should be further reformed.

    Technological development has led to the parallel emergence of a new type of currency, the cryptocurrency. Cryptocurrencies are digital or virtual currencies that are based on cryptographic techniques and serve as a means of exchanging value. Unlike traditional currencies, cryptocurrencies are not controlled by governments or central banks. Instead, they are managed via a decentralized computer network. They use strong encryption techniques and complex algorithm-based processes to secure transactions, ensure independence from central authorities and regulate the creation of new units. Well-known examples of cryptocurrencies are Bitcoin, Ether and Tether.

    Supporters of cryptocurrencies view Bitcoin as a trailblazer for the separation of state and monetary systems, considering this development as one of the most significant revolutions of all time. In fact, since its inception in 2009, Bitcoin has paved the way for the development of numerous other cryptocurrencies and blockchain projects.

    Conclusion: These novel structures upon which cryptocurrencies are based represent another serious challenge to the traditional fiat money system.

    Given these challenges, the statements made by Christine Lagarde, President of the ECB (European Central Bank), and Fabio Panetta, Member of the ECB Executive Board and Chair of the High-Level Task Force for a Digital Euro, appear rather „mild”.

    „We need to prepare our currency for the future. We envisage a digital euro as a digital form of cash that can be used for all digital payments, free of charge, and that meets the highest privacy standards. It would coexist alongside physical cash, which will always be available, leaving no one behind.” [Christine Lagarde]

    „As people increasingly choose to pay digitally, we should be ready to issue a digital euro alongside cash. A digital euro would increase the efficiency of European payments and contribute to Europe’s strategic autonomy.” [Fabio Panetta]

    At present, non-banks such as private individuals and companies only have access to central bank money via cash. All cashless transactions are processed exclusively via the book money of commercial banks. With the introduction of the digital euro, however, cashless transactions for the general public will also be possible directly with central bank money. As a result, central bank money will be integrated into the entire economic cycle in addition to the commercial banks‘ book money. This suggests that the introduction of the digital euro as a means of payment for non-banks will be accompanied by a profound structural change to the current fiat money system.

    From this perspective, the controversial discussions about the introduction and design of the digital euro as a CBDC (Central Bank Digital Currency) are also understandable given its societal relevance.

    From the perspective of the average citizen, the question arises: Will central bank digital currencies make our lives easier and safer, or is it a risky experiment?

    Before delving deeper into the discussion, it’s important to note that both CBDCs and cryptocurrencies are part of the digital currency revolution. Some key technological elements used in cryptocurrencies can also be employed in CBDCs. These fundamental elements directly impact the characteristics and practical application of CBDCs.

    To get a better understanding of CBDC, we will take a closer look at some key elements of the most popular cryptocurrencies in the next chapter.

    3. Cryptocurrencies – All roads lead to Rome

    „Banks must be trusted to hold our money and transfer it electronically, but they lend it out in waves of credit bubbles with barely a fraction in reserve. We have to trust them with our privacy, trust them not to let identity thieves drain our accounts. Their massive overhead costs make micropayments impossible.“
    Satoshi Nakamoto, Post im P2P-Foundation-Forum

    The financial crisis of 2007-2008 played a decisive role in the emergence of cryptocurrencies such as Bitcoin. It led to a loss of confidence in traditional financial institutions and the existing fiat money system. Many people were disappointed by the response of banks and governments to the crisis and looked for alternative ways to store their money and conduct transactions that were free from government control and interference.

    Bitcoin was created shortly after the outbreak of the financial crisis in 2008 by an anonymous person or group with the pseudonym Satoshi Nakamoto. Bitcoin’s whitepaper, published in the same year, presented an idea for a decentralized digital currency that works without a central authority or intermediaries. This concept came at just the right time, when confidence in the traditional financial system was shaken. The financial crisis of 2007-2008 therefore served as a catalyst for the emergence of cryptocurrencies, as it raised awareness of the weaknesses of the existing financial system and highlighted the need for alternative ways to store and transact value.

    Cryptocurrencies have the potential to influence and transform the traditional monetary system. To understand why this is the case, we will first explain some basic terms in this context without digressing into technical details.

    3.1. Distributed Ledger Technology (DLT)

    A ledger is a term from the world of accounting and finance that generally refers to a record of financial transactions in the form of a book or database. It is used to record the current status of assets, liabilities and capital of a company or organization. A ledger can be kept either manually or electronically and typically contains entries on income, expenses, transfers and other financial transactions.

    Fig. 15: Ledger – Then and Now

    A traditional ledger is usually centralized, which means that a central authority has control over the data and also centrally controls access to it. This centralization makes traditional ledgers more susceptible to fraud or data manipulation, as they are controlled by a single entity.

    Fig. 16: Centralized ledger

    A distributed ledger is a decentralized database that stores and synchronizes transaction data across multiple locations. Unlike centralized ledgers, which are managed by a single central location, the data in a distributed ledger resides on many distributed nodes or computers that are connected via a network. This decentralized nature ensures greater security as the data is stored on multiple nodes and changes are cryptographically secured.

    Fig. 17: Distributed ledger

    In summary, the main difference between a traditional ledger and a distributed ledger lies in their centralized or decentralized structure, which has implications for the control, security and efficiency of data tracking.

    A centralized ledger requires an authority (bank, cloud, etc.), while distributed ledger technology enables P2P-exchange via computers. (Peer-to-peer (P2P) is a concept that describes a direct interaction or communication between participants in a network without the need for a central intermediary). [iMi Blockchain]

    3.2. Blockchain-Technology

    Distributed ledger technology (DLT) and blockchain technology are closely related, as blockchain is a specific implementation of DLT. DLT can be implemented in various ways in practice, with blockchain technology being the best known and most widespread form. DLT and blockchain technology are often equated, but blockchain is merely a specific variant of DLT.

    You can think of the blockchain as a long, public notebook (ledger). Each page of this notebook represents a block. Within this notebook, all transactions ever made are recorded.

    Each block contains a list of transactions, such as someone sending money to someone else. Once a page of the notebook is full, a new page is added, and this is linked to the previous page. This linking is like a chain that holds all the pages together – hence the name „blockchain”.

    Fig. 18: Schematic representation of a blockchain

    In order to understand the basic operating principle of blockchain technology, it is important to understand how a system is set up that allows all participants to create, verify and update data.

    Peer-to-Peer (P2P) Network

    A peer-to-peer (P2P) network is required to operate a blockchain. This is a network of computers known as nodes, all of which have equal rights. Anyone can join this network (see Figure 17). The P2P network enables the nodes to communicate with each other, exchange information and perform tasks without the need for a central server. These P2P networks can be set up via the global Internet infrastructure, where computers are directly connected to each other.

    Cryptography

    As anyone can join the network, including potentially harmful actors, it is crucial that communication between nodes is secure and unaltered. Cryptography plays a central role here. It enables secure communication in an environment where potential threats exist. Encryption converts information in such a way that it can only be read by participants who have the corresponding „keys” for decryption. In this way, messages can be transmitted securely without unauthorized persons being able to intercept or alter them. This also makes it possible to prove the authenticity of your own messages, even if there are potentially malicious actors in the network.

    In Figure 18, the entry in the „Hash” field represents a cryptographic checksum or fingerprint of the data in the block, while the entry in the „Prev” field (previous hash) is the hash value of the previous block in the blockchain. The use of cryptographic hash functions ensures that the integrity of the blockchain is maintained and that changes to past blocks can be easily detected.

    Consensus algorithm

    The third element is the consensus algorithm. This is like a rule or procedure that ensures that all participants in a system agree on which data is valid and how it can be changed. In a decentralized network like the blockchain, many different nodes or computers communicate with each other. The consensus algorithm helps these computers to agree on a common view, even if they might have different information. This allows them to ensure that the data they receive is correct and that everyone in the network agrees on what to do with this data.

    There are various consensus algorithms used in blockchain networks to ensure that all participants agree on which transactions are valid and which are not. Each of these consensus algorithms has its own advantages and disadvantages and is selected according to the requirements and objectives of the blockchain network. The Proof-of-Work (POW) algorithm gained particular fame with the first cryptocurrency Bitcoin.

    Proof-of-Work (PoW) Algorithm

    What happens with the PoW algorithm? Newly added transactions are recorded in a new block. Before this block can be added to the blockchain, its content must be validated and confirmed. As soon as the block is full, the PoW algorithm is activated.

    In this algorithm, a computer in the network must successfully solve a puzzle (complex mathematical task) in order to validate the content of the new block. The solution to this task is called a Proof-of-Work. As soon as a computer in the network has successfully solved the puzzle and proposed a new block for connection to the blockchain, this block is checked and validated by the other computers in the network. Each computer in the network applies the rules of the Bitcoin protocol to ensure that the transactions are valid and that the new block complies with the consensus rules. These rules include checking factors such as the validity of signatures, the correctness of the transaction data and the accuracy of the Proof-of-Work.

    If the other computers in the network determine that the new block is valid, it is added to the blockchain and the transactions in it are confirmed. If the block does not meet the consensus rules or the transactions are invalid, the block is rejected by the other computers in the network and the process starts again to find another valid block.

    In the Proof-of-Work (PoW) algorithm, as used in Bitcoin, several computers in the network compete with each other to solve this complex mathematical task. Solving the task requires a lot of computing power and energy.

    In Figure 18, the entry in the „Nonce” field (an abbreviation for „Number used once”) represents a random number that is processed together with other data in a block to generate a hash that must meet certain criteria to be accepted as a valid block. This value is directly linked to the PoW algorithm.

    Reward and punishment

    For the proper operation of a decentralized blockchain, another concept from game theory comes to the forefront: „reward and punishment”. In game theory, the term „reward and punishment” refers to the incentives given to players to encourage or discourage certain behaviors. Rewards can be positive incentives that players receive when they perform certain actions or achieve certain goals. Punishments are negative incentives that players suffer when they perform undesirable actions or violate certain rules. These rewards and punishments are used to influence player behavior and encourage the achievement of in-game goals.

    This rewards participants who help maintain the records in the blockchain and add new blocks to the blockchain. In the case of Bitcoin, this reward means that a token, or virtual coin, is awarded every time a consensus is reached and a new block is added to the chain. On the other hand, malicious actors who try to circumvent or manipulate the system lose the computing power spent during the Proof-of-Work process, or risk losing their coins.

    In conclusion, it is important to recognize that the punishment and reward system has an impact on psychological behavior. It changes the rules of the system from something you have to follow to something you want to follow because it is in your own interest to do so.

    Critical P2P-network size

    In reality, a blockchain is considered decentralized if it has enough independent validators or nodes that validate the transactions. These nodes are spread across different geographical locations and no single party has control over the network.

    A summary of the key features of blockchain technology can be found in this video.

    A more detailed visual demonstration of the functionality of a blockchain using the example of financial transactions can be found here and here. 

    The key strategic benefit of using blockchain technology to solve problems lies in its decentralization. The selection of blockchain technology as a solution method is only justified if the underlying problem is actually due to centralization. If decentralization is not required or desired, it is likely that a centralized solution is more suitable and blockchain technology is not necessary.

    The central question is: Is our world currently ready for the comprehensive implementation of complex blockchain technology that entails decentralization?

    3.3. The Token – The Swiss Army Knife

    When explaining the reward mechanism as an essential component of a blockchain in the previous chapter, the term „token” was used. It makes sense to explain this term in simple language here.

    A token can appear in various forms.

    Generally speaking in the IT sector, a token is a type of digital key or identifier. It is used to confirm the identity of a user or entity and gain access to a system or resource. Think of it like an ID card that you show to get into a building. For example, a token can be a password, a biometric feature (like a fingerprint) or a special code that you enter or present to authenticate yourself. It is used to ensure security and access control in IT systems.

    In the blockchain world, a token is a digital unit with multiple functions. It can serve as a cryptocurrency, be digital representations of fiat currencies on blockchain platforms and be used for transactions. Tokens can also be digital representations of real objects such as real estate or works of art.

    A token can represent not only a digital object, but also its properties. This depends on the type of token and its implementation on the blockchain. Consider, for example, a tokenized work of art. Such a token could not only represent the artwork itself, but also contain information about the artist, year of publication, size, ownership history and even license rights.

    In addition, a token can represent certain functions within a blockchain network, such as usage rights, access rights, voting rights, entitlement rights, etc. Depending on the type and intended use, tokens can have different characteristics and functionalities.

    Fig. 19: Tokenization is the process of transferring the real world or real assets into the digital world by converting them into digital tokens that can be stored on a blockchain or other digital ledger. These tokens then act as digital representations of the real-world assets and can be traded, transferred and managed online.

    Tokens can be seen as a kind of toolkit, allowing digital objects, their properties, and various functions to be combined. These are then used as an element in a predefined algorithm on a digital platform such as a blockchain. This algorithm determines how the tokens can be created, transferred, traded, and used. This logic dictates how the tokens operate and what rules they must adhere to.

    A token could metaphorically be seen as a universal tool that can be used in a variety of situations. Much like a Swiss army knife is versatile and offers different functions, a token in a blockchain network can be used for various purposes, from holding value to executing pre-programmed processes.

    Further information on the topic of tokens and their role in the future financial system is provided in the following chapters.

    3.4. Centralized vs. Decentralized Ledger System

    Fig. 20: Centralized vs. Decentralized Ledger System

    Centralized Ledger System

    The existing financial system is based on centralized ledger systems in which transactions and account balances are managed and monitored by a central authority or institution. Banks, central banks and other financial institutions maintain these centralized ledgers in which all transactions and account movements are recorded.

    In critical situations in which trust in a central authority or institution is called into question, the following aspects of a centralized ledger system come into particularly sharp focus: 

    Single Point of Failure: As a centralized financial system is controlled by a single authority or institution, it carries the risk of a „Single Point of Failure”. If this authority fails or is compromised, this can lead to significant disruptions or failures in the entire system.

    Lack of transparency: Since centralized general ledgers are maintained by a single institution, it is often difficult for outsiders to verify the accuracy and completeness of the data. This can be a particular problem in industries that value transparency and accountability.

    Political or economic pressures: Political and economic influences can affect the trustworthiness and accuracy of centralized general ledgers. For example, a government agency could manipulate data in a centralized general ledger to achieve its own goals.

    Limited accessibility: Since centralized general ledgers are often managed by a single party, access to and use of data may be restricted or denied to external parties.

    Distributed Ledger System

    Cryptocurrencies are based on a distributed ledger system, which offers several advantages compared to centralized ledger systems:

    Decentralization: A decentralized system functions without central authority. Slogans such as „Bitcoin is the people’s money” and „Be your own bank” convey the idea of financial independence, autonomy, self-determination and personal responsibility in financial matters.

    Security and trust: Cryptocurrencies such as Bitcoin use blockchain technology, which makes transactions transparent and tamper-proof. This helps to strengthen users‘ trust in the system, especially after financial crises and fraud scandals.

    Anonymity and data protection: Another reason for the emergence of cryptocurrencies is the desire for anonymity and data protection in financial transactions. Cryptocurrencies generally offer a certain degree of anonymity, as transactions are pseudonymous and do not need to be linked to personal data.

    Accessibility and inclusion: Cryptocurrencies can be used worldwide and enable access to financial services for people who may not have access to the traditional banking system, such as people in developing countries or people without a bank account.

    The world of cryptocurrencies has become extensive and diverse, with almost 20,000 different types of crypto assets in circulation. The article „Top 10 cryptocurrencies by market capitalization” provides a classification of cryptocurrencies based on their market capitalization. In stock market terminology, market capitalization refers to the current market value of a currency or company and is calculated by multiplying the number of units by the price.

    A closer examination of the top three cryptocurrencies in this ranking provides revealing insights into important relationships, characteristics and modes of operation that also play a role in the design and functioning of digital central bank currencies.

    3.5. Bitcoin (BTC) – Get Rich or Die Tryin’

    Bitcoin was designed to serve as a digital means of payment and store of value. It is based on a transparent ledger without a central authority and thus represents a typical use case of a decentralized ledger system based on blockchain technology (see chapter 3.1. and 3.2.). The resulting systemic advantages were discussed in chapter 3.4.

    Due to its decentralized architecture, there is no single computer responsible for managing the ledger (see Fig. 21). Instead, every computer that is part of the blockchain system owns a copy of the ledger. Bitcoin uses a transparent ledger that allows every user to see all transactions and balances at any time. However, the owners of the balances and the senders and recipients of transactions are not directly identifiable. This makes Bitcoin pseudonymous, as all information is open, transparent and traceable, but the identities of the parties involved are not fully disclosed.

    Bitcoin is purely digital and does not exist in physical form like traditional coins or banknotes. Instead, ownership of Bitcoin represents the right to access certain records in the ledger, known as the blockchain, and to send Bitcoin between different addresses. Since Bitcoin is not controlled by a government, authority or bank, the owner retains full control over their Bitcoin money. Only the rightful owner has access to their Bitcoin balance in their digital wallet and can dispose of it.

    Digital wallets are electronic wallets that allow users to securely store, manage and transact with digital currencies such as cryptocurrencies. They work in a similar way to traditional wallets, but for digital currencies, and offer functions such as sending and receiving coins, viewing account balances and managing transaction histories.

    By enabling direct payments between users without intermediaries such as banks, Bitcoin makes international transactions in particular much easier. This eliminates bank fees and the hassle of dealing with exchange rates.

    Fig. 21: Schematic diagram of a Bitcoin blockchain

    Bitcoin, like gold, is designed to be scarce as there is a maximum cap of 21 million Bitcoins that can ever be created. For this reason, some investors view Bitcoin as a long-term investment and a hedge against inflation.

    A concise yet thorough explanation of what Bitcoin is and how to use it can be found in the video „Bitcoin’s explanation: Understanding Bitcoin in just 12 minutes” by Finanzfluss.

    Let’s summarize the key advantages and disadvantages of Bitcoin:

    Fig. 22: Key advantages and disadvantages of Bitcoin [Finanzfluss]

    In most countries, Bitcoin, like other cryptocurrencies, is not considered a legal tender. Instead, Bitcoin is often seen as a digital asset or alternative payment method. This means that the use of Bitcoin for transactions is voluntary and not required by law. However, some countries have recognized cryptocurrencies as a legal payment service or financial instrument, but not as legal tender in the traditional sense.  (El Salvador is currently the only country where Bitcoin is considered legal tender, with limited success. The introduction of Bitcoin as legal currency has not improved the situation for financing and stabilizing public finances in a country where large portions of the population live below the poverty line.)

    For this reason, the use of cryptocurrencies as a medium of exchange, one of the three main functions of money, is often severely restricted. This often results in cryptocurrencies having to be exchanged for a legally recognized fiat currency. This is usually done via a cryptocurrency exchange or an online trading platform. The latter often require user verification during the registration process, which at least partially compromises the advertised privacy when using cryptocurrencies.

    As a virtual currency, Bitcoin does not represent real assets such as cash flow, stocks, company shares, or gold reserves. The value of a unit is determined solely by supply and demand, which can lead to significant price volatility.

    In January 2024, the first so-called Bitcoin spot ETFs were introduced in the USA. These ETFs (Exchange-Traded Funds) are investment funds that are traded on an exchange and use Bitcoin as the underlying asset. They create a link between cryptocurrencies and the traditional financial world. Bitcoin ETFs offer institutional investors a legal and regulated way to participate in cryptocurrency, even if they may not be able to invest in Bitcoin directly. By buying a Bitcoin spot ETF, you are essentially buying a stake in the cryptocurrency itself.

    The decision by BlackRock, the world’s largest asset manager, to enter the Bitcoin spot ETF business has already caused a stir. BlackRock manages a total of 9 trillion US dollars in assets. Even if the company were to invest just one percent of its assets in Bitcoin, this could have a significant impact on the Bitcoin price (Figure 23).

    Fig. 23: Bitcoin-Euro exchange rate (as of 28.04.2024)

    The high volatility, limited acceptance, and certain technical hurdles in handling disqualify Bitcoin as a reliable medium of exchange or store of value for large segments of the population.

    What was presented to the public in 2009 as a „grassroots democratic” alternative to the „elitist” traditional banking and financial system has essentially evolved into speculation fifteen years later. Speculation involves short-term investments, where the period between buying and selling a stock is relatively brief. A speculator relies on short-term fluctuations in the stock market and attempts to predict stock price movements accurately in order to trade accordingly.

    Due to the limited supply of bitcoins, the price and hence the confidence in Bitcoin can be influenced by large institutional investors such as BlackRock or Grayscale, both partners of the World Economic Forum (WEF). It is noteworthy that BlackRock also emerged as winners during the 2007-2008 financial crisis – an irony of fate in the financial world.

    According to the WEF document Understanding the macroeconomic impact of cryptocurrency and stablecoin economics, „these digital currencies could be potential drivers of financial stability, equity, innovation, and market incentives for environmental sustainability”.

    3.6. Tether (USDT) – Safe Haven (In God We Trust)

    Tether is a cryptocurrency based on blockchain technology and designed as a so-called stablecoin. Its goal is to provide a stable value compared to other cryptocurrencies, which experience significant fluctuations in value. Typically, Tether’s value is pegged to an established fiat currency such as the US dollar, with 1 Tether usually equaling 1 US dollar. Tether Limited is the company behind Tether.

    The aim is to combine the benefits of cryptocurrencies (see Fig. 22) with the stability advantages of a fiat currency. An obvious use case would be as a medium of exchange. However, stablecoins like Tether are rarely accepted for everyday purchases in the real world, as only governments can declare a currency as legal tender. Nowadays, stablecoins are mainly used on cryptocurrency exchanges. Traders use them to exchange volatile cryptocurrencies for stable ones and thereby mitigate risk. For example, investors who have invested in volatile Bitcoin and do not want to risk the Bitcoin price falling against the US dollar can simply exchange their bitcoins (BTC) for US dollar Tether (USDT) and retain the dollar value. If they later want to hold bitcoins again, they can easily exchange their USDT back into BTC. Investors can convert profits into Tether without having to leave the crypto ecosystem. They can „park” their cryptocurrencies in Tether to await value fluctuations or transfer their crypto assets without losses in value.

    Tether thus assumes the function of a safe asset in the virtual crypto ecosystem. A „safe asset” is an asset that is considered a safe haven for investors, especially in times of economic uncertainty or turbulence. Such assets are usually characterized by stability, low volatility and high liquidity.

    Transactions in USDT are considered both fast and cost-effective. Additionally, cross-border payments in Tether can easily transition into another target currency.

    Due to these characteristics, Tether is also hailed as a bridge between the virtual cryptocurrency world and the real financial world. In the 2021 WEF article titled „Cryptocurrencies are democratizing the financial world. Here’s how”, one finds the following:

    „Cryptocurrencies, such as stablecoins, which are cryptocurrencies pegged to other assets such as the US dollar, can now act as a safer and more trustworthy way of safeguarding people’s assets.

    For example, if you were living in Nigeria, you would have seen your net worth drop by nearly 50% since 2016 as the Nigerian Naira dropped from roughly 200 Naira per US Dollar to nearly 400 Naira per US Dollar by the end of 2020. However, if those assets has been kept in a stablecoin like Tether (USDT), a stablecoin pegged to the US Dollar, they would have been safeguarded from any drastic devaluation.“

    „Cryptocurrencies and blockchain technology, paired with the global growth of mobile and indeed internet adoption, are tempering rising financial inequalities.

    And it is not inconceivable to imagine that in the coming decades, the world will have a much more democratised and accessible financial system. Financial inclusion could be achieved thanks to cryptocurrencies.“

    In developing countries and emerging markets in particular, where national currencies are very volatile and the banking system does not offer nationwide coverage, such concepts are gaining increasing acceptance (Figure 25).

    Fig. 25: Acceptance of cryptocurrencies [statista]

    How do stablecoins like Tether manage to keep their value stable while other cryptocurrencies are subject to strong price fluctuations?

    The stability of money, whether physical or digital, relies on the trust of its users. If the market doubts the value of USDT, people will quickly sell off their USDT, leading to a price decline. To maintain this trust, companies like Tether, for example, deposit assets as collateral for their coins. These reserves serve as a guarantee that the company will uphold its promise and that its coins indeed have the specified value. In the case of Tether, each USDT is backed by US dollar reserves and other assets. In addition to fiat currencies, stablecoins can also be backed by other assets, such as gold, oil, or other cryptocurrencies.

    Unlike Bitcoin, Tether (USDT) does not have its own blockchain. Instead of using its own blockchain, Tether is issued on various existing blockchain platforms. As already explained in chapter 3.3., a token is generally a digital unit that is created and issued on a blockchain platform and represents a specific value or function. In relation to Tether, USDT is a token that represents the value of one US dollar. Each USDT token should therefore always have the value of one US dollar. These tokens are issued on various blockchains and can be stored, transferred and traded in wallets, just like other cryptocurrencies and digital assets.

    USDT (Tether) can be considered a form of tokenized money. Tokenized money refers to the digital representation of traditional fiat currencies or other assets in the form of tokens on a blockchain.

    A USDT token is typically generated through a deposit process at Tether Limited or one of its partner banks. A user sends a certain amount of US dollars to Tether Limited or deposits it in a special account. Upon receipt of the deposit, Tether Limited then issues the corresponding amount of USDT tokens backed by the deposited US dollars.

    For example, if you have a multi-chain wallet, you can transfer your USDT tokens to it. A multi-chain wallet supports multiple blockchains and allows you to manage different cryptocurrencies on different blockchains in a single wallet. This allows you to carry out transactions on the supported blockchain networks.

    Fig. 26: Tether (USDT) is available on various blockchains. A „cross-chain transfer” refers to the transfer of cryptocurrencies or digital assets from one blockchain to another.

    By being able to use Tether on different blockchains, users can benefit from the different functions of the individual networks. 

    By being supported on various blockchains, Tether also increases the liquidity and interoperability of the currency, as it can be exchanged between different blockchain platforms. This contributes to the further adoption and acceptance of Tether, allowing users to leverage the benefits of a stable digital currency in different contexts.

    However, there are also disadvantages to this structure. The company ensuring the security of the stablecoin assumes the role of a private „virtual central bank”. In the case of USDT, this is Tether Limited. In addition to the risks of misappropriation and the difficulty in proving that the company has enough assets to back the amount of coins in circulation, the question arises of how long-term adequate security can be ensured, thus maintaining public trust.

    Ultimately, the question of regulation arises: Will regulatory authorities allow companies to create an asset that resembles legal tender without any supervision?

    Chainalysis – Making the invisible visible

    From today’s perspective, the use of stablecoins seems to be tolerated as long as it is limited to specific geographic areas and clear conditions of use are established. A report by Chainalysis titled „The 2021 Geography of Cryptocurrency Report” describes how cryptocurrencies are being introduced in some Latin American countries in response to economic hardships. The aim is to help people in Latin America mitigate their economic difficulties through the use of stablecoins. One reads:

    „So many Latin American countries have economic instability, so the people there aren’t really interested in trading cryptocurrency or getting exposure to Bitcoin because it’s going to $80,000… People are trying to survive, so they need the ability to switch between their local currency and cryptocurrency to preserve its value.… Remittances are another driving force behind Latin American cryptocurrency adoption. This isn’t entirely surprising, as traditional, fiat currency remittances are hugely important to many Latin American countries. According to the World Bank, incoming remittances in 2020 represented 2.4% of GDP for Latin America as a whole, more than any other region the organization tracks besides South Asia. In countries like El Salvador and Honduras, remittances represent over 20% of national GDP. … 35% of Venezuelan households receive remittances from abroad. The Venezuelan bolivar is essentially worthless due to hyperinflation. Cryptocurrency provides a way for Venezuelans who have left to send money back, and the receivers can then hold that money in a more stable currency.”

    GDP stands for gross domestic product. It is an important economic indicator that measures the total value of all goods and services produced within a country’s borders during a given period, usually a year. GDP is often used to evaluate and compare a country’s economic performance.

    Chainalysis is a blockchain data platform that provides tools and research for government agencies and financial institutions. Its goal is to shape a global economy based on blockchains.

    „We are paving the way for a global economy built on blockchains. Businesses, banks, and governments use Chainalysis to make critical decisions, encourage innovation, and protect consumers.”

    A 70-second introduction to Chainalysis can be found here:

    This brief introduction demonstrates very clearly that user privacy is essentially based on the concept of „pseudonymity”. A kind of asymmetrical protection of privacy is applied. While the majority of users do not know the true identity of a person behind a pseudonym (e.g. public address/key) and thus privacy (e.g. private address/key) is maintained, it is possible for a select group of people or institutions to determine the true identity through special knowledge and access to appropriate technologies. Therefore, pseudonymity does not offer complete anonymity, but provides a degree of privacy from the general public while allowing traceability for certain authorized parties.

    This is an important point. The ability to determine the identity of a person behind a pseudonym contributes in some ways to the further concentration of knowledge and power. Individuals or organizations with the resources and technical ability to decode identity can thereby exercise increased control over the information and actions of those using pseudonyms. This can be particularly problematic if this power is in the hands of a few powerful institutions or governments, which can lead to an imbalance in terms of data protection and individual freedom.

    In this regard, it’s important that the use of pseudonymity in society and in technological systems is accompanied by appropriate protective mechanisms and privacy regulations to prevent the abuse of knowledge and power and to preserve individual privacy. In most cases, governmental or regulatory institutions are responsible for establishing and enforcing privacy regulations and protective mechanisms against data misuse. These institutions are often established by the respective governments.

    The use of stablecoins as virtual „safe assets” in economically challenging situations has sensitized large parts of the population in affected regions to the use of digital currencies and, in a way, prepared them for it. As a result, technological infrastructures have been developed in the background, and the acceptance and handling of virtual „safe assets” as a form of tokenized money have been tested and evaluated. At the same time, corresponding analysis and monitoring tools have also been tested and improved to ensure the necessary depth of data extraction.

    The document „The Current State of Central Bank Digital Currencies (CBDCs) in 2023” by Chainalysis provides further insights into how the crypto ecosystem serves as a „sparring partner” or „training ground” in the ongoing development and evolution of the fiat financial system.

    „Blockchain technology has made digital payments faster and easier than ever, and allowed for the proliferation of new cryptocurrencies for different use cases, with unique traits like decentralization, immutability, pseudonymity, and more. These innovations have demonstrated that global finance is ripe for change – and governments have taken note. Central banks across the globe have already begun remodeling financial systems for the internet age.” 

    3.7. Libra – The King is Dead, Long Live the King!

    What would happen if a stablecoin was backed not just by one company, but by a consortium of companies including Master Card, Visa, Stripe, eBay, PayPal, Vodafone and Facebook (Meta)?

    Here is a summary of a few key figures:

    MasterCard and Visa: Both are the world’s best-known credit card companies offering payment services for credit and debit cards. They facilitate the electronic transfer of money between consumers, merchants and financial institutions worldwide and enable transactions in various currencies. According to statistical data for 2023, Visa leads with over 4.3 billion cards worldwide, followed by Mastercard with 3.3 billion cards. [Free credit card]

    Stripe: Stripe is a leading financial technology company that provides online payment solutions and payment processing platforms for businesses. Today, millions of businesses of all sizes use Stripe to accept payments online and in person, make payouts, automate financial processes and ultimately increase revenue.

    eBay: eBay is one of the world’s largest online marketplaces where people and businesses can buy and sell goods and services. eBay provides a platform for e-commerce where millions of transactions take place every day. In 2023, 132 million active customers were counted on eBay. [statista]

    PayPal: PayPal is a well-known payment service provider that enables consumers and businesses to send and receive money online. It offers secure payment solutions for e-commerce transactions and enables users to transfer money electronically, pay bills and make online payments. The number of active accounts of the online payment service PayPal amounted to 426 million in the fourth quarter of 2023. [statista]

    Vodafone: Vodafone is a global telecommunications company headquartered in the UK. The company is active in many countries, operating mobile networks in over 20 countries and fixed-line or broadband services in many more. Vodafone is known for its global telecommunications services, innovative technologies and commitment to providing connectivity and communications solutions to individuals, businesses and governments around the world. Vodafone currently has over 300 million mobile customers worldwide.

    Facebook (Meta): Facebook is a global social network and one of the largest technology companies in the world. Facebook’s main goal is to connect people and facilitate the exchange of information, content and ideas. Facebook also offers advertising and marketing services for companies, enabling them to advertise their products and services in a targeted manner and engage with their target audience. In the fourth quarter of 2023, the number of daily active users on Facebook was just under 2.11 billion. [statista]

    The combination of substantial financial resources and cutting-edge technologies within a global network of more than 4 billion users could result in privately issued cryptocurrencies seriously challenging or even partially displacing central bank and commercial bank money as a means of payment. Consequently, central banks might cede control over the payment system to a private corporate group whose network effects could be extensive, powerful, and potentially harmful. Ultimately, this could undermine monetary sovereignty and jeopardize financial stability.

    In June 2019, this very scenario threatened to become reality when Facebook (now Meta) announced the project called Libra. Libra was to be a cryptocurrency backed by assets, i.e. a stablecoin. This was to serve as a means of payment for members of the global Libra Association network, which included the companies mentioned above. [wikipedia]

    Was this a real revolution or just a serious message? And if so, by whom was it addressed to whom?

    As essential members of the Libra Association, Facebook (Meta), Visa, MasterCard, Stripe and Paypal are all partners of the World Economic Forum (WEF).

    The World Economic Forum is the international organization for public-private cooperation. It provides a global, non-partisan and non-profit platform for meaningful connections between stakeholders to build trust and initiatives for cooperation and progress. In a world characterized by complex challenges, the World Economic Forum engages political, business, academic, civil society and other community leaders to shape global, regional and industry agendas. The WEF aims to foster international cooperation to address the great challenges of our time and plays an important role in shaping global political, economic and social developments. [weforum]

    On July 15, 2019, Facebook announced that the currency would not be launched until all regulatory concerns had been addressed and Libra had the necessary approvals. On September 18, 2019, during a meeting with leading Senate Democrats, Mark Zuckerberg stated that Libra would not be introduced anywhere in the world without prior approval from U.S. regulators.

    A revolution truly looks different. The World Economic Forum member’s message to policy makers and central bankers worldwide that it is time to practically implement the extensive knowledge and experience gained from the crypto ecosystem over the last 10 years into the further development of the fiat financial system was quickly taken up.

    On the one hand, the Libra initiative met with considerable resistance from governments, central banks and regulatory authorities worldwide. They expressed concerns about the potential impact on monetary policy, financial stability, anti-money laundering and data protection. In response to this opposition and regulatory pressure, the project was formally renamed and restructured. Within just 6 months of the project’s announcement, Visa, MasterCard, Stripe, PayPal, eBay and Vodafone withdrew from the initiative. Meta finally abandoned the project in January 2022, citing regulatory hurdles. Regulatory authorities around the world intervened and banned privately issued cryptocurrencies as legal tender.  [wikipedia]

    On the other hand, the message led to the recognition that the introduction of central bank digital currencies (CBDCs) is essential for the further development of the fiat financial system. The fact that this is a strategic decision with global implications is highlighted by the Atlantic Council’s involvement in coordinating this process.

    The Atlantic Council is an independent, nonpartisan think tank and forum for policy discussion focused on transatlantic relations. The Atlantic Council addresses a wide range of issues, including security policy, international relations, economic issues, technology, energy, the environment, and global governance. Atlantic Council members include political leaders, government officials, former heads of state and government, senior military officials, business leaders, academics, and other public figures. [atlanticcouncil]

    The Central Bank Digital Currency (CBDC) Tracker, published by this think tank in July 2021, provides an overview of the rapid development of digital central bank money worldwide. The interactive database now covers 130 countries, which together represent 98% of global gross domestic product (GDP).

    The discussion is no longer about whether CBDC will be introduced in the individual countries, but rather about when and how this will happen.

    3.8. Ethereum – Code is Law

    In chapter 3.2, we learned that blockchain technology was created by combining existing technologies such as distributed ledger technology (DLT), cryptography and consensus algorithms. The result is a system that can make decisions without a central authority. Bitcoin is a concrete example of the application of such a system (see chapter 3.5.). Blockchain technology can be seen as a system on which various applications and programs can be developed and executed. A currency such as Bitcoin is just one possible application of this.

    With technology that can decentralize the handling of money, people are beginning to explore what other applications or tasks that are currently centralized could be better accomplished in a decentralized system. But a truly decentralized system requires a large network of computers to run it. In the beginning, the Bitcoin blockchain was the only network in existence, and it was quite limited. This was because the programming language used for Bitcoin is specifically defined for this one application. It only has a small set of commands that the computers in the network can understand and execute (e.g. who sent how much money to whom).

    A programming language is a formal language that is used to write instructions that can be executed by a computer. It enables a programmer to design and implement algorithms to solve specific tasks or problems.

    To solve versatile and complex tasks, one needs a „complete” programming language and a specialized computer network that understands this language. A programming language is considered „complete” if it exhibits the following characteristics:

    1. It can store information and work with it.
    2. It can make decisions and do different things depending on what is happening (for example, „if this, then that”).
    3. It can perform certain actions repeatedly as long as necessary (like a loop).
    4. It allows certain additional tasks to be defined and executed whenever they are needed.

    If a programming language possesses all these properties, it can perform any possible computation. Consequently, it can solve any computable function or problem.

    Let’s say you want to create your own decentralized program, similar to Bitcoin, at home. To do this, you first need a deep technical understanding of the underlying concepts of cryptocurrencies such as blockchain, consensus algorithms, cryptography, transactions and mining. You need to master a programming language that allows you to implement the consensus algorithm, transaction processing, wallets, network functions and other necessary components in a software algorithm. Last but not least, you need to set up a huge network of computers to run this software. That sounds like a „Mission Impossible”, doesn’t it?

    In such a situation, Ethereum can be at your side. Ethereum is an open-source blockchain platform that allows developers to create and run decentralized applications (DApps). It was conceived by Vitalik Buterin in 2013 and officially launched in 2015. If you want to create a decentralized program that no single person controls – not even you, even though you wrote it – all you need to do is learn the Ethereum programming language Solidity and start coding. Solidity is considered a „complete” programming language that enables the development and execution of complex applications on the Ethereum blockchain. The Ethereum platform runs thousands of independent computers, which means that it is fully decentralized. Once a program is deployed on the Ethereum network, these computers, also known as nodes, ensure that it is executed as intended. Ethereum forms the infrastructure for the global operation of DApps.

    In Chapter 3.5., we explained the Bitcoin blockchain using the analogy of a public notebook (ledger) that can be viewed by anyone. All transactions that have ever taken place are recorded in this ledger. Each page of this ledger corresponds to a block that contains a list of transactions, such as money transfers from one person to another.

    Like Bitcoin, the Ethereum network can be used as a platform for cryptocurrencies. Within the Ethereum ecosystem, Ether serves as a cryptocurrency. Ether is a token that was created and is used specifically for use on the Ethereum platform. As the primary means of payment of the Ethereum network, Ether enables transactions between users. It can be used to transfer value or make payments for services and products. In fact, the cryptocurrency function of Ethereum is only of secondary importance.

    Ether is primarily used as a fee charged for every computation that occurs within the Ethereum network in connection with a transaction. In the Ethereum ecosystem, nothing is free! These fees make Ether the primary requirement for creating or using DApps (decentralized applications) on the Ethereum blockchain. The collection of fees serves to protect the Ethereum network from congestion. As mentioned earlier, Ethereum utilizes a complete programming language that enables complex computations. Without fees, a malicious actor could easily attempt to disrupt the network by executing an infinite loop within a transaction without being penalized. Fees ensure that such actions incur costs, deterring potential attackers and safeguarding the network against deliberate attacks.

    Ethereum allows people to connect directly with each other without the need for a central authority. It is a network of computers that connect to form a powerful „decentralized supercomputer”. The combined computing power of the network nodes can be used to perform complex calculations or provide resources for decentralized applications (DApps) running on the platform. In this way, Ethereum can support a variety of use cases without being controlled by a central instance.

    Fig. 27: Ethereum-Blockchain

    „Ethereum is a protocol for human coordination. Coordination is a game, but not one that is played to win. Coordination is more like tending a garden, where one works only that the garden may continue to thrive.“
    ethereum foundation

    In the Ethereum worldview, human coordination is seen as a game that follows certain rules. These rules are encoded in „Smart Contracts”. A Smart Contract is essentially like a digital contract, an automated contractual solution that executes specific tasks once certain criteria are met.

    To make a Smart Contract accessible to end-users, DApps are necessary to provide a user interface through which users can interact with Smart Contracts. DApps combine a Smart Contract and a user interface, thus assuming the role of mediating between the user and the Smart Contract. Without a DApp, it would be difficult for most users to utilize a Smart Contract, as it requires technical knowledge and the ability to interact directly with the blockchain.

    A DApp ensures that users can provide the necessary information to execute transactions or trigger actions in the Smart Contract, and it presents the results or the current state of the Smart Contract in an understandable manner for the user.

    Both smart contracts and DApps are written using the Solidity programming language. Solidity is a programming language developed specifically for the creation of smart contracts on the Ethereum blockchain. By using Solidity, developers can write smart contracts that define the rules and logic of the DApp and have them executed on the Ethereum blockchain.

    To better understand this process, one can examine the types of accounts in the Ethereum network.

    Account types in the Ethereum network

    There are two types of accounts on the Ethereum network:

    Externally Owned Accounts (EOAs): These accounts are created and used by users of the Ethereum network. They can hold Ether (Ethereum’s cryptocurrency) and carry out transactions between external accounts. EOAs have an address and a private key. Possession of a private key means control over access to the contents of the account and authorizes the user to initiate transactions. The EOA is managed via an Ethereum wallet. The Ethereum wallet can be seen as a gateway to the Ethereum system. It holds your keys and can generate and transfer transactions for you.

    If a user wants to create a DApp, they can use the Ethereum programming language Solidity to write so-called smart contracts. As described above, these smart contracts represent the program logic according to which decentralized applications (DApps) are operated on the Ethereum platform. Once the smart contract has been created, it is translated into „bytecode”, a language that computers can understand. The smart contract prepared in this way can then be registered in the Ethereum blockchain, which requires the creation of a special transaction. Once this transaction has been validated, the bytecode of the smart contract is stored in the blockchain. As soon as the contract is entered in the blockchain, it receives an Ethereum address (similar to wallets). This creates the second account type in Ethereum – the contract account.

    Contract accounts: Contract accounts are special accounts that contain the bytecode of smart contracts or DApps. These accounts also have an address, but do not have a private key. When a user sends a transaction to a contract account, the code defined in the smart contract is executed. This allows users to trigger certain actions or send instructions to the smart contract to perform various functions. Transactions to contract accounts can contain Ether, data or both. If they contain ether, these are credited to the contract account. If they contain data, these can be used when executing a function of the contract.

    Fig. 28: Account types in the Ethereum network

    Transactions on the Ethereum network

    It is essential to understand the basic difference between Externally Owned Accounts (EOAs) and contract accounts. An EOA can send messages to other external accounts or contract accounts by creating and signing a transaction with its private key. A transaction between two EOAs is simply a transfer of value. However, when a message is sent from an EOA to a contract account, it triggers the contract account’s code and allows it to perform various actions such as token transfers, writing to internal storage, generating new tokens, performing calculations, etc.

    Unlike EOAs, contract accounts cannot initiate new transactions on their own. Instead, they can only send transactions in response to other transactions (from an EOA or contract account) that they have received.

    Fig. 29: Transactions on the Ethereum network

    Every action that takes place on the Ethereum blockchain is always initiated by transactions sent from externally owned accounts.

    The Ethereum blockchain works like a machine based on transactions. Depending on the instructions and inputs given to it, it changes its state. In computer science, the term „state machine” refers to a system that goes through different states and switches between these states depending on input. For example, when a new contract account is created or Ether is transferred for transactions with an existing contract account, the state of this global computer changes by recording the transaction and updating the balances of both the externally owned and contract accounts.

    Fig. 30: Ethereum as a state machine

    Ethereum’s state machine can be described in simplified terms as follows: It starts with a „Genesis state”, similar to a blank sheet of paper, before transactions take place. When transactions are executed, this Genesis state changes to a final state. This final state represents the current state of Ethereum at any point in time.

    The state of Ethereum comprises millions of transactions grouped into blocks. Each block contains a collection of transactions and is chained to its previous block.

    Fig. 31: Executed transactions are stored on the blockchain and alter the state

    To enable the transition from one state to the next, a transaction must be valid. To be considered valid, a transaction must go through a validation process known as mining or proof-of-work. Mining is a process in which a group of nodes (i.e. computers) use their computing power to create a block of valid transactions. Each time a miner successfully validates a block, new Ether tokens are generated and paid out to them. The basic principles are similar to those described in Chapter 3.2.

    CODE IS LAW

    Smart contracts are stored on the Ethereum blockchain, which means they are secure and immutable. The rules and conditions of the contract cannot be altered. In the Ethereum blockchain, all transactions and state changes are transparent and traceable.

    Anyone can check the transaction history of a specific smart contract and retrieve the current status by checking the corresponding data in the blockchain.

    In the video „CODE IS LAW? Smart Contracts Explained” by Finematics, the term „smart contract” is explained in detail yet in a way that is easy to understand.

    Let’s take a closer look at some aspects of smart contracts. As mentioned in the video above, a smart contract covers all key areas of a contract: from the identification of the contracting parties, to the subject matter of the contract, to performance, obligations, terms and duration, as well as administration and enforcement. A smart contract on the Ethereum platform is absolutely precise. It follows the pre-programmed logic down to the smallest detail and is executed deterministically.

    Deterministic refers to a concept used in various disciplines such as mathematics, philosophy, computer science and physics. It essentially means that an event or series of events is completely predictable, without chance or uncertainty. In computer science, „deterministic” refers to programs or algorithms that always produce the same result given a set of inputs. This means that the execution of a deterministic algorithm always leads to an unambiguous and predictable result, regardless of other influencing factors. However, the real world is often influenced by various, sometimes unpredictable factors. In many cases, deterministic models are only an approximation of reality.

    Since the smart contract is stored on the Ethereum blockchain, it practically allows for no retroactive changes. This ensures that all executions of the contract are handled with absolute precision, guaranteeing that the contract performs exactly as the author intended. This aligns with the principle of „Code is Law”. A smart contract on Ethereum possesses ultimate authority, and no one can override the contract.

    The execution of smart contracts on a decentralized platform opens up new perspectives for shaping not only the financial system but also for implementing specific political agendas. This development can serve as a foundation for innovative financial services and have significant impacts on transactions both from the government to the citizen (Government-to-Citizen) and from citizens to the government (Citizen-to-Government).

    3.8.1. Chainlink – Oracles – mediators between the gods and humans

    Smart contracts are contracts that are based on and dependent on data. The provision of correct data is crucial to ensure that the agreement is executed exactly as expected. The accuracy of the data directly influences the results of a smart contract.

    It is important to understand that blockchains have certain isolating properties within the World Wide Web. What are the reasons for this?

    Blockchains are extremely secure and reliable due to certain design principles. A blockchain achieves consensus by using data that is already stored in its own ledger. The blockchain’s ledger is considered trustworthy because it uses decentralization to validate all data redundantly using all nodes in the network. Decentralization also ensures the integrity of the consensus algorithm, as changes to the protocol rules are only possible with the consent of a significant portion of the network (e.g. 51%). These properties provide strong guarantees for the determinism of computations and data storage, especially in highly decentralized networks.

    However, blockchains are less suitable for answering questions that require subjective assessments or use external data that is not easily accessible to every node in the network. For example, questions such as „What is the current EUR-USD exchange rate?” or „What is the weather like in Berlin?” could lead to different answers depending on the data source used and the time of the query. As a result, the question arises as to which answer should be considered the correct one and how its accuracy can be verified. Furthermore, any change or adjustment to the blockchain network’s data sources requires extensive coordination to ensure that all network nodes agree and update their software accordingly.

    For this reason, blockchains are not able to independently establish a connection to real data and events.

    Fig. 32: Blockchains are not able to independently establish a connection to real data and events.  [What Is an Oracle in Blockchain?]

    Smart contracts and Dapps running on the Ethereum blockchain can only directly access data that exists on the Ethereum blockchain. As the Ethereum ecosystem is still at an early stage of development and due to the specific design principles of blockchains, the amount of validated data that can be used directly by smart contracts is relatively limited. The main focus is on various areas, including:

    • Development of decentralized financial services (DeFi) with cryptocurrencies
    • Applications that focus on digital property
    • Gaming
    • Metaverse
    • Social Networks
    • Decentralization of developer tools as a basis for further technological developments

    This is the dilemma: most of the data from the real world is not on the blockchain. Without access to this data, the use of smart contracts would be severely limited. In order to be able to use smart contracts in everyday life, they require external connectivity to communicate with other systems and confirm the occurrence of real events. This in turn entails risks and challenges, particularly with regard to the security and trustworthiness of the data. The benefits of using smart contracts therefore conflict with the difficulties of integrating external data.

    This is where the so-called Oracle services come into play.

    In mythology, an oracle refers to a divine or spiritual entity that serves as an intermediary between the gods and humans and as an entity that acts as a transmitter of information.

    In the blockchain context, oracle services are external services or protocols that connect smart contracts with data or information from the real world. Since smart contracts on blockchain platforms such as Ethereum cannot directly access external data sources, oracle services are required to close this gap.

    Oracle services act as an intermediary between the blockchain and external data sources such as APIs, IoT devices, traditional databases or other blockchain networks. They collect and deliver real-time data or events to smart contracts so that they can automatically execute actions based on this data.

    An API (Application Programming Interface) is an interface that makes it possible to retrieve data from an external service or system. This enables seamless integration of external data into applications and facilitates the development of applications that rely on up-to-date information.

    An IoT (Internet of Things) device is a physical device or machine that is connected to the internet and can send and receive data via the internet. The use of IoT devices enables the automation, monitoring and optimization of processes and systems in various areas, which can lead to efficiency gains, cost savings and new opportunities for innovation.

    For example, an oracle service can deliver information such as weather data, stock market prices, the delivery status of parcels or the results of sporting events to a smart contract. This makes it possible for smart contracts on the blockchain to access up-to-date information and react accordingly without having to rely on manual input from users.

    Oracle services are therefore crucial for the functionality and benefits of smart contracts in use cases that rely on real-world events or external data.

    Oracles respond to requests from smart contracts for off-chain data. They retrieve this data from external systems and convert it into a format that can be read by the blockchain. In the process, the data is validated and a cryptographic proof that certifies the performance of the Oracle service is created. Depending on the use case, the Oracle off-chain can perform calculations based on the available data. The data prepared in this way is then transferred to the blockchain for further processing by the smart contract. If the smart contract needs to transfer information to off-chain systems, the Oracle converts it back into a readable format for the respective external system and sends it to the external system. A schematic representation can be found in the following figure.

    Fig. 33: Oracles combine inputs and outputs with blockchains to create hybrid smart contracts. [What Are Smart Contracts and How Do They Work?]

    Smart contracts that access off-chain data are also referred to as hybrid smart contracts. This distinction is not accidental and is related to the development of the World Wide Web (WWW). The individual development stages of the WWW are summarized in the following illustrations.

    Fig. 34: Development stages of the WWW – Web 1.0

    In Web 1.0, the internet consisted mainly of static websites owned by companies. There was little interaction between users and individuals rarely produced content. This led to it becoming known as the „read-only Web”.

    Fig. 35: Development stages of the WWW – Web 2.0

    With the development of Web 2.0, the internet shifted to a „read-write Web”. Companies began to offer platforms for the exchange of user-generated content and interaction between users. However, some large companies began to control a disproportionate share of the traffic and value generated on the internet as more and more people went online. This means that most of the Internet that people know and use today is based on trust in a handful of private companies acting in the public interest.

    Fig. 36: Development stages of the WWW – Web 2.3

    The term Web 3.0 was coined by Ethereum co-founder Gavin Wood shortly after the launch of Ethereum in 2014. A central feature of Web 3.0 is decentralization, in which power and control are transferred from centralized institutions to users and the community. Web 3.0 thus strives to develop the internet in a direction where users have more autonomy and control over their own data and interactions. Symbolically, Web 3.0 stands for „read, write, own”. Blockchain technology is often seen as a key component of Web 3.0.

    A smart contract in the sense of Web 3.0 is executed on a Web 3.0 infrastructure (blockchain) and uses data that is verified decentrally (data in its own ledger).

    A hybrid smart contact uses a Web 3.0 infrastructure (blockchain), but accesses data that is mostly generated in Web 2.0. This balancing act is an attempt to use the advantages of smart contracts for real-life problems.

    The real world can be seen as a centralized system, although there are many decentralized elements. In most societies, there is a central authority or institutions that exercise some control over important aspects of life, such as governments, legislatures, courts, corporations and other organizations. These central authorities often have the power to make decisions, set rules and control resources. This leads to a concentration of power and influence in the hands of a few, while the majority of the population is dependent on these centralized structures. Nevertheless, there are also decentralized elements in society, such as informal social networks, local communities, independent organizations and personal relationships that are not controlled by central authorities.

    Overall, the real world can be seen as a hybrid system that contains both centralized and decentralized elements. The development of technologies such as blockchain and decentralized networks can help to challenge some aspects of centralization and provide the opportunity to distribute power and control more broadly.

    In some use cases, a smart contract on a blockchain with the help of oracles could only access data from another blockchain without further interaction with Web 2.0-based systems.

    „Smart contracts” can also be executed on Web 2.0, although in this context they may not be as effective as on blockchain-based platforms in the context of Web 3.0. In Web 2.0, smart contracts can be implemented in centralized environments based on traditional servers and databases. These smart contracts would be managed and executed by a centralized server or authority. Although they can provide some of the benefits of automation and programmability, they lack the decentralization and transparency associated with blockchain-based smart contracts.
    An example of the use of smart contracts in Web 2.0 could be an online payment system that is operated on a central server. In this case, smart contracts could be used to automatically execute payments when certain conditions are met, similar to blockchain-based smart contracts. However, the execution of these smart contracts would be dependent on the integrity and security of the central server, which does not offer the same trustworthiness and immutability as a blockchain.

    For smart contracts to work as expected, the data supplied by Oracle must be correct. It is therefore crucial that the Oracle mechanism is error-free. Decentralized Oracle services are an innovative solution to the Oracle problem. These prevent data manipulation, inaccuracies and downtime. A Decentralized Oracle Network (DON) combines several independent Oracle node operators and reliable data sources to ensure end-to-end decentralization. Such a solution is offered by the company Chainlink (Figure 37).

    Fig. 37: Decentralized Oracle Networks (DONs) enable smart contracts to securely connect to external data and systems. [What Is Offchain Data and Computation?]

    Chainlink offers a decentralized infrastructure that makes it possible to collect data from various data sources and bring it into the blockchain. It uses a network of „oracles” that collect, validate and feed the data into the blockchain. These oracles are independent nodes that provide data and participate in the Chainlink network.

    Although Chainlink uses some blockchain principles and integrates with various blockchain networks such as Ethereum, it is not a standalone blockchain. Rather, it provides an infrastructure and ecosystem that aims to collect data from external data sources and bring it into the blockchain to provide smart contracts with real-time data.

    The following video provides a brief summary of Chainlink’s decentralized Oracle network solution.

    To illustrate the limitless potential of universally connected smart contracts, Chainlink has compiled a list of more than 77 possible applications.

    Let’s take a closer look at some of the examples mentioned by Chainlink:

    External payment transactions

    Nowadays, money is the usual means of valuing assets and purchasing services. Smart contracts can process payments in the cryptocurrency of their own blockchain, for example Ethereum smart contracts that accept ETH. However, many businesses and users do not want to exchange their preferred fiat currency for cryptocurrency. Instead, they prefer to use a variety of already established payment options and services. Chainlink enables the connection of smart contracts with existing banking systems. Developers can seamlessly integrate information and services such as consumer bank accounts, direct deposits and other processes from leading global banks into their algorithms. In addition, Chainlink provides access to leading credit card providers and established payment networks such as PayPal and others. Developers can now create applications that take advantage of the most popular payment methods used daily in both domestic and international retail environments.

    This lays the foundation for the integration of transactions with all established digital fiat money variants such as debit and credit cards, electronic wallets or apps as well as digital deposits at commercial banks in smart contracts.

    Insurances

    The insurance industry today operates in an environment characterized by low trust. Policyholders have an incentive to misrepresent positive information in their applications to lower their monthly premiums, while insurers tend to delay payments and increase rates to compensate for misrepresented risk profiles. Traditional insurance companies can benefit from blockchain technology by developing advanced smart contract-based parametric insurance contracts that automatically trigger insurance premiums and payouts based on real-world data provided by decentralized oracle networks.

    • Vehicle insurance

    Modern vehicles are equipped with a variety of internal sensors, internet connections and even native APIs. A smart contract can use some of this data to set the rental period, unlock the vehicle doors for the renter, record the rental period, calculate the kilometers driven, determine the remaining battery charge and automate rental payments. In this way, complex rental contracts can be created for „smart cars”. In addition, new forms of insurance will be available that are triggered based on impact sensors in the vehicle, or insurance discounts based on metrics such as kilometers driven per year.

    • Household contents insurance

    The growing „smart home” phenomenon is leading to the proliferation of sensors and advanced security systems that automatically notify homeowners and emergency services of unusual events. These sensors can be connected to smart contracts via Chainlink oracles to create new parametric home insurance products. For example, they can detect broken pipes, fire and smoke development, malfunctioning solar panels or even burglaries to enable more direct protection from the insurance company’s alarm system.

    • Health insurance

    With numerous advances in biotech and IoT wearables such as smartwatches, insurance companies can create smart contracts that offer health insurance discounts or impose penalties based on a patient’s health data. Key data points could include distance traveled (exercise), body weight, heart rate and potentially more advanced biometrics as they become available in the future. Chainlink oracles can also detect data anomalies that can trigger mandatory consultations to maintain favorable insurance premiums.

    Sustainability / Regenerative farming

    Hybrid smart contracts, which combine the benefits of on-chain code with real-time data from IoT sensors and satellite communications, offer the opportunity to create transparent, fully traceable and automated incentive systems. These systems can directly reward individuals, businesses and governments for their efforts to promote sustainable practices and combat climate change, as well as mitigate its harmful effects. These applications can include the creation of tokenized carbon offsets, promotion of regenerative agriculture and monitoring of resource consumption to reward those who stay within their means.

    These examples illustrate how your financial situation, your mobility, your living environment, your working environment and even your physical well-being can be embedded in algorithmic rules and integrated into smart contracts. Looking at this in a visionary way, the concept of „Code is Law” could soon lead to essential aspects of your life story being magically influenced by smart contracts.

    3.8.2. Behind the scenes – Shadows on the wall

    Chainlink works closely with the World Economic Forum (WEF). In a WEF article entitled „The missing link between blockchains and enterprises” and in a WEF white paper entitled „Bridging the governance gap: Interoperability of Blockchain and Legacy Systems”, Chainlink’s technology is positively highlighted and promoted.

    The Ethereum platform is supported by the Ethereum Foundation, a non-profit organization founded in 2014. Its main purpose is to develop and promote the Ethereum platform. The Ethereum Foundation plays a crucial role in supporting the Ethereum developer community, promoting education and research in the field of blockchain and cryptocurrencies, and driving the continuous development of Ethereum technology.

    The Ethereum Foundation and the World Economic Forum (WEF) also work closely together. Aya Miyaguchi, Executive Director of the Ethereum Foundation, was appointed to the WEF’s Blockchain Global Council in 2019. Together, they are working on various projects, including the question of how blockchain principles can contribute to improving environmental, social and governance (ESG) systems.

    Another point of contact exists with the company ConsenSys. Joseph Lubin, the founder and CEO of ConsenSys, is also one of the co-founders of Ethereum. ConsenSys is listed as a partner organization of the World Economic Forum. In a white paper by ConsenSys titled „Central Banks and the Future of Digital Money: An Overview and Proposal for a Central Bank Digital Currency on the Ethereum Blockchain”, the following can be read:

    „According to the Bank for International Settlements, over 70% of central banks are looking at issuing a digital currency on a blockchain.

    CBDCs can offer a range of advantages. They can play a central role in advancing the digital asset revolution in a regulated, lower-risk and – crucialy – accessible way, helping make financial markets more efficient and accessible to all global citizens.

    CBDCs can give central banks more effective, future-oriented tools to allow them to implement monetary policy in more direct and innovative ways and keep pace with technological change. CBDCs could also simplify and reduce the cost of cross-border remittances, while forming the basis for more efficient, more secure interbank payments networks. The list goes on.

    Below we provide both an overview of CBDC and a concrete example of how a CBDC might be implemented on the Ethereum blockchain. We believe that Ethereum is the best-suited blockchain network for the kind of maximally secure, global-scale, interoperable settlement platforms that CBDCs require. But we are well aware that there are many other possibilities.

    What is important is that central banks have come to realize the extent of the transformations that are already happening in digital currencies, and that they see the importance of embracing a significant role in bringing about this change.“

    The fact that one aims to use Distributed Ledger Technology to solve essential tasks in a centralized ledger system sounds like a paradox. But more about that in the following chapters.

    3.9. Interim balance

    Cryptocurrencies were introduced in 2009 as an alternative, democratic option to the traditional banking and financial system perceived as elitist. Despite this ambitious vision, most crypto projects have encountered a common problem: recognition as a suitable form of payment in the real world dominated by fiat currencies. Some cryptocurrencies have proven to be extremely volatile, while their networks are often perceived as slow, cumbersome, and complex for the average user. In contrast, stablecoins are viewed skeptically due to concerns regarding the backing of the underlying cryptocurrency as well as regulatory hurdles, particularly with projects like Libra.

    However, this creates an ideal test environment for exploring different aspects of the introduction of various decentralized digital currencies worldwide without significantly disrupting the existing financial system.

    Distributed ledger technologies, in particular blockchain, have been tested and further developed in practice. At the same time, the use of decentralized digital currencies through digital wallets was tested by a broad population worldwide. The concept of pseudonymity, which protects privacy while making transactions transparent, was introduced. The use of virtual „safe assets” as tokenized money in economically difficult situations has significantly increased the acceptance of digital currencies in affected regions and prepared the population for their use.

    Smart contracts have been used to introduce programmable functions in complex transactions. In addition, a corresponding infrastructure was set up to supply smart contracts with real-time data from the real world, extending their scope beyond crypto ecosystems.

    At the same time, corresponding analysis and monitoring tools were also tested and improved in order to provide regulatory authorities with the necessary depth of data extraction.

    Cryptocurrencies have contributed to raising public awareness about dealing with digital currencies and positively influencing perceptions regarding the technological evolution of the monetary system.

    The design of Central Bank Digital Currencies (CBDCs) will be heavily influenced by technological innovations from the cryptocurrency world. This will be further elaborated in the following chapters.

    4. CBDC – The Digital EURO – A New Star is Born

    In the previous chapters, it has been emphasized that the current fiat money system faces various structural and technological challenges. The introduction of a Central Bank Digital Currency (CBDC) is seen as a crucial step in addressing these challenges. Currently, 134 countries and currency unions, representing 98% of the global GDP, are considering the introduction of a Central Bank Digital Currency.

    There are two types of CBDC issued by central banks: „Wholesale CBDC” and „Retail CBDC”.

    Wholesale CBDC refers to a digital currency intended for large financial institutions and institutional investors such as commercial banks and payment processing companies. This form of CBDC is typically used to facilitate interbank transactions or serve as a means of settlement for wholesale trade between financial institutions. Wholesale CBDC can make payment and settlement systems more efficient by processing transactions faster, more securely and more cost-effectively. Although wholesale CBDC is often presented as a new concept, digital central bank money has been available for wholesale transactions for decades. The discussion therefore does not focus on whether to introduce digital central bank money for wholesale transactions, but rather on possible technological changes in the provision of this money.

    In contrast, Retail CBDC is intended for general use by individuals and businesses, similar to physical cash or digital money in a bank account. Retail CBDC could enable people to conduct digital transactions directly with the central bank, without the need for a bank account at a commercial bank. Retail CBDC aims to enhance general access to digital payment methods and promote the use of digital transactions by individuals and small businesses.

    In the following considerations, we will focus on the Digital Euro as a representative of CBDC.

    In June 2021, the European Central Bank (ECB) announced the „Digital Euro”. In July of the same year, the ECB commenced the investigation phase of the digital Euro project. This phase focused on central questions regarding the design and introduction of a potential digital Euro and included the development of a prototype. The investigation phase spanned approximately 24 months and concluded in October 2023. On October 18, 2023, the ECB Governing Council decided to initiate the preparatory and experimental phase for the digital Euro. This phase, which could last around three years, aims to establish the foundations for a potential digital Euro.

    From today’s perspective, we are still in the midst of this process. Although no final results regarding the design, functionality, and exact launch date of the digital Euro have been released yet, some trends are becoming apparent.

    It is important to note that Wholesale CBDC and Retail CBDC, although they can be considered as separate projects, are closely interconnected in the overall strategy of the ECB for digital currencies. The technological architecture and infrastructure developed for Wholesale CBDC can influence the architecture of Retail CBDC. Understanding how Wholesale CBDC functions can help in better comprehending the technical aspects of Retail CBDC. The goals and functions of Wholesale CBDC can provide insights into the motivations of the central bank and demonstrate how they relate to a Retail CBDC. The introduction of Wholesale CBDC can significantly impact the existing financial system, including banks, financial markets, and payment infrastructure. Understanding these impacts can help assess potential effects on Retail CBDC and the entire financial landscape.

    4.1. Wholesale CBDC – Nature does not make leaps (or does it)

    In December 2020, the report „Money in Programmable Applications – Cross-Industry Perspectives from the German Economy” was published by the Working Group „Programmable Money” of the Deutsche Bundesbank. The initiators of this working group included Dr. Jens Weidmann, the then-President of the Deutsche Bundesbank, and Olaf Scholz, the then-Federal Minister of Finance. Members of the „Programmable Money” Working Group included representatives from the Deutsche Bundesbank as well as from Deutsche Bank AG, Deutsche Börse AG, Landesbank Hessen-Thüringen, Landesbank Baden-Württemberg, IBM Deutschland, Siemens, VW, Bosch, SAP, among others.

    The working group summarizes the results of its study as follows:

    „The digital transformation is giving rise to new business models and fundamentally changing existing business processes. Many processes will become much more automated in the future. Distributed Ledger Technology, on which real goods and services can be mapped as tokens and traded digitally, enables programmable, autonomous and automated service flows. This poses new challenges for current payment systems. The extent to which the advantages of digital settlement technology can be realized depends to a large extent on whether the associated cash flows are equally programmable and can be synchronized with the service flows.

    Conceivable business cases that require innovative money-side settlement solutions are largely based on distributed ledger technology and may include smart contracts that control the execution of the business cases. Machine-to-Machine payments, Internet-of-Things payments and Pay-per-Use payments are examples of use cases that require programmable payments for money-side settlement.

    New and innovative solutions are therefore needed to meet the demand for programmable payment solutions.

    The greatest functional benefit in the processing of programmable payments is attributed to tokenized commercial bank money and digital central bank money. The development of both payment solutions, which is still pending, offers sufficient scope to comprehensively consider the need to implement programmable payments. Both solutions are particularly suitable as a trust-securing solution for processing programmable payments due to the expected credibility of their issuers and their application within a binding legal framework.“

    Conclusion:
    The digital transformation is revolutionizing the way companies work. Many processes are being automated, which means that they are being carried out independently by machines. Distributed Ledger technology (DLT) opens up the possibility of mapping real goods such as products or services as digital tokens and trading them via DLT networks using smart contracts. This technology enables automated and programmable payments. To enable such payments, a new digital form is needed not only for central bank money in wholesale transactions, but also for commercial bank money. In order for these forms of money to be represented in DLT networks and integrated into smart contracts as a means of payment, they must be available in tokenized form.

    In his presentation „Perspectives for Wholesale CBDC in the Euro Area” in September 2023, Dr. Martin Diehl, Head of the Payment Systems Analysis Department at the Deutsche Bundesbank, once again emphasizes the importance of integrating DLT systems, tokenized currency forms, and Wholesale CBDC for various use cases in the real economy.

    He emphasizes that in a Smart Economy, the flows of goods, money, and information should ideally occur automatically and synchronized. By using DLT systems, coordination processes can be eliminated through the use of a shared database. Smart Contracts can support automated settlement. The payment process is intended to function as an integral part of the overall process.

    Fig. 38: Use cases in the real economy that can be mapped on DLT systems

    This objective cannot be realized with the existing payment processing system of the European Central Bank (ECB) due to compatibility problems.

    Fig. 39: Compatibility issues between DLT-based use cases and the ECB’s traditional payment settlement system

    TARGET stands for „Trans-European Automated Real-time Gross Settlement Express Transfer System” and is the payment settlement system of the European Central Bank (ECB). It is the main instrument for settling euro payments within the Eurosystem, the framework in which monetary policy is implemented for the euro area.

    Essentially, TARGET is a system that enables commercial banks to process payments among themselves in real-time and in euros. It facilitates the efficient settlement of payments between banks in the euro area, catering to both their own transactions and those of their customers.

    The TARGET system comprises both the so-called TARGET2 mechanism for the settlement of large-value payments and the TARGET2-Securities (T2S) mechanism for the settlement of securities transactions.

    For most people, the TARGET system is not directly relevant in everyday life as it is primarily used by banks. However, it plays a crucial role in the stability and efficiency of the financial system in the euro area by providing a secure and rapid mechanism for the exchange of euro payments between banks.

    The Deutsche Bundesbank is examining two possible solutions. One option is to offer the wholesale CBDC in tokenized form directly on the DLT network on which the smart contract is executed.

    Looking back at the discussions in Chapter 3.3., it’s recalled that a token in the world of blockchain is a digital unit with various functions. It can serve as a cryptocurrency, represent digital versions of fiat currencies on blockchain platforms, and be used for transactions. In Chapter 3.6, it was explained how a stablecoin is supported as a token on various blockchains. In this scenario, the tokenized Digital Euro behaves similarly to a „stablecoin” and is used for transactions on the same DLT network where the respective smart contract is executed. However, from today’s perspective, the practical implementation of this solution appears to be extremely challenging for the central bank.

    The second option is to securely link the central bank money to the DLT network on which the smart contract is executed via an interface that has yet to be defined. This approach is similar to the logic described in Chapter 3.8.1. Smart contracts are contracts that are based on and dependent on data. Smart contracts and Dapps that run on a blockchain can only directly access data that is available on the blockchain. In the blockchain context, oracle services are external services or protocols that connect smart contracts with data or information from the real world. Since smart contracts on blockchain platforms cannot directly access external data sources, oracle services are required to bridge this gap. Oracle services act as an intermediary between the blockchain and external data sources such as APIs, IoT devices, traditional databases or other blockchain networks. They collect and deliver real-time data or events to smart contracts so that they can automatically execute actions based on this data.

    This approach leverages the existing financial market infrastructure and is considered by the Bundesbank to be low-risk and quickly implementable. The financial market infrastructure (FMI) operates parallel to distributed ledger or blockchain networks, where tokenized assets are traded through smart contracts. The exchange of information between the DLT/blockchain network and the FMI (e.g., Bank A / Bank B) takes place via a so-called trigger interface. This synchronizes events between the blockchain and the real world. This trigger interface acts as an oracle with respect to the DLT/blockchain network.

    Fig. 40: Trigger solution as a secure „Oracle” interface between the „asset chain” with the smart contract and the banking ecosystem

    A trigger is a specific condition or event that initiates a predefined response in a financial product or a risk management system.
    An asset is an economic value or resource that provides a benefit or a claim to future benefit for a company, an individual, or an organization. Assets can take various forms and are often used in different contexts, including finance, economics, and accounting. Here are some examples of different types of assets that may play a role in the example described above:
    Tangible assets: These are physical assets that have a material value and can be used for the production of goods and services. Examples include land, buildings, machinery, equipment, vehicles, and inventory.
    Intangible assets: These include non-physical but still valuable assets that are based on intellectual property or represent other non-physical rights. Examples include patents, copyrights, trademarks, licenses, software, trade secrets, and customer relationships.
    Natural assets: These refer to natural resources such as land, water, air, minerals, oil, gas, and renewable energies that have economic value and can be used for the production and consumption of goods and services.
    Assets play an important role in the valuation of companies, asset allocation, accounting, and financial planning. They are crucial for value creation and the success of organizations and serve as the foundation for investments, lending, and risk management.

    The motto of the Deutsche Bundesbank is „Natura non facit saltum”. This literally translates to „Nature makes no leap”. This phrase originates from biology and refers to the notion that changes in nature occur gradually and step by step, rather than suddenly and abruptly. It emphasizes the idea of continuity and gradual development in natural processes and systems.

    This logic is only partially reflected in the ECB article „Central bank money settlement of wholesale transactions in the face of technological innovation” from August 2023. There, one can read the following:

    „The Eurosystem is analysing the potential impact of emerging technologies, including distributed ledger technology (DLT), on the settlement of wholesale financial transactions.

    The majority of market stakeholders surveyed by the Eurosystem expect a significant uptake of DLT for wholesale payments and securities settlement, with an indicative time horizon of between five and ten years.

    Many market stakeholders state that, in the absence of a DLT-compatible central bank money settlement solution, they would look for alternatives. In such a situation, market stakeholders may consider using alternative settlement assets, such as commercial bank money or stablecoins. Such alternatives would not provide the same level of safety as central bank money. A partial move from central bank money to other settlement assets could also increase liquidity fragmentation and have adverse implications for financial stability.

    At the same time, some market stakeholders argue that the speed of DLT adoption, if not its success, might to some extent depend on the involvement of the central banking community. The ability to settle transactions in central bank money could be a requirement for certain market participants, preventing them from adopting DLT as long as a suitable central bank money settlement solution is not in place. In addition, central bank involvement could be perceived as support for DLT as an innovation in financial services.

    Should the use of DLTs become more prevalent for wholesale financial transactions, possible Eurosystem responses could include enabling market DLT platforms to interact smoothly with Eurosystem infrastructures based on existing technology, or making central bank money available in a new form that can be recorded and transferred on a DLT platform. These responses are not mutually exclusive.

    These new solutions may, but need not, involve the provision of central bank money in the form of DLT tokens.

    The provision of any new Eurosystem solution for the central bank money settlement of DLT-based transactions must not come at the expense of the Eurosystem’s control over the central bank money it issues.“

    The ECB has started to analyze and test four conceptual solutions.

    Fig. 41: Conceptual solutions for the settlement of central bank money for wholesale transactions registered on DLT platforms.  [EUROPEAN CENTRAL BANK]
    Notes: Blue lines, dots and icons represent central bank money (CeBM). Purple lines, dots and icons represent securities.

    The first option (1) uses the existing financial market infrastructure (see Fig. 41). The second option (2) relies on a separate Distributed Ledger Technology (DLT) network that works with tokenized central bank money and is connected via an „oracle” interface to the external DLT network on which the smart contract is executed. Options (3) and (4) rely on a „unified” ledger where CBDC and security tokens are directly connected to the smart contract. The difference between the options lies in who operates the DLT network.

    Compared to the Deutsche Bundesbank, the European Central Bank (ECB) is taking a more proactive approach to evaluating possible solutions.

    Conclusion:
    Over the next 10 years, the deployment and utilization of DLT platforms will significantly increase in both the economy and the financial sector. CBDC will increasingly be integrated as part of smart contracts running on DLT platforms. In the short to medium term, this integration will occur via an „Oracle-like” interface between the existing financial market infrastructure of central banks and external DLT platforms (trigger solution). In the medium to long term, the European Central Bank (ECB) may additionally introduce its own DLT platform and provide a central bank money (Digital Euro) token to enable connectivity with smart contracts.

    It is important to note that the DLT platforms used in the real economy and the financial sector are not identical to the blockchain platforms in the cryptocurrency ecosystem. They are primarily „permissioned” or „centralized” DLT systems. In this type of DLT/blockchain, the participants or nodes operating the network and validating transactions are not open to everyone but are controlled through specific permissions.

    Unlike the „permissionless” or „decentralized” blockchain, as used, for example, in Bitcoin or Ethereum, where anyone can participate in the network without restrictions, a permissioned or centralized blockchain requires authorization or permission to operate nodes in the network and validate transactions.

    In a permissioned blockchain network, permissions can vary depending on the requirements and agreements of the participants. For example, a company or organization can establish a permissioned blockchain network where only selected parties have access to conduct transactions and validate blocks. This type of blockchain is often used in private or enterprise-specific applications where data privacy and control over the network are important.

    In this case, the primary focus is on increasing efficiency and reducing overhead, especially in interbank transactions, securities settlement, and cross-border transactions, as well as improving transparency and control over the actions of authorized participants. It’s less about a high degree of openness or true decentralization.

    4.2. Commercial Bank Money Token (CBMT) – Those who do not go with the times, perish with time

    With the introduction of tokenized wholesale CBDC in the existing fiat banking system, changes in commercial bank money are expected to occur. On one hand, commercial banks are expected to ensure that commercial bank money can be converted into central bank money at a 1:1 ratio at all times. On the other hand, the number of traditional corporate clients undergoing digital transformation and becoming part of the new „Smart Economy” is expected to increase.

    The term Smart Economy refers to an economy supported by the use of modern information and communication technologies (ICT) as well as innovative technologies such as blockchain, artificial intelligence (AI), and the Internet of Things (IoT). These technologies are utilized to make processes more efficient, transparent, secure, and interoperable.

    In a „Smart Economy”, businesses and governments utilize digital technologies to increase efficiency and productivity, offer innovative services, and develop new business models. This can include the use of big data analysis, cloud computing, the Internet of Things (IoT), and machine learning to create intelligent solutions for various industries such as healthcare, education, transportation, energy, and finance.
    In short, the „Smart Economy” refers to an economy characterized by the intelligent utilization of digital technologies and data to promote growth, innovation, and quality of life.

    To meet the new requirements, existing commercial bank money needs to adapt to the technologies of Industry 4.0. This enables it to become an integral part of industrial value chains and leverage the potential of technology in the banking sector. This new technological representation of commercial bank money is called „Commercial Bank Money Token” (CBMT). A CBMT still represents commercial bank money with all its characteristics and services offered by banks. However, it can also enable new and additional functionalities by leveraging Distributed Ledger Technology (DLT).

    The Committee of German Banking Industry (Deutsche Kreditwirtschaft) confirmed the necessity of introducing Commercial Bank Money Tokens (CBMT) in its „Working Paper on Commercial Bank Money Token” in March 2023 and presented a draft for the design and implementation of CBMTs.

    The goal of commercial banks is to offer financial services to their customers (businesses and individuals) based on smart contracts. The basic idea is that customers of commercial banks can convert a portion of their electronic account balances into tokenized form to conduct payment transactions within the framework of smart contracts. The transfer of balances between the traditional electronic form and the tokenized form should be transparent and at a 1:1 ratio. A detailed description of this topic can be found in the aforementioned working paper.

    In the position paper „The digital euro: Background information and assessment of recent discussions. Reviewing of the ECB’s design principles for a digital euro and their implications for our dual monetary system” of June 2023, the German Banking Industry Committee summarizes the types of money in the monetary system of the future as follows:

    Fig. 42: New and existing types of money for a monetary system of the future

    In the new monetary system, all forms of money currently available in the Fiat system will have a digital twin. This is in line with the ideas of the Bank for International Settlements (BIS).

    Blueprint for the future monetary system: improving the old, enabling the new

    The Bank for International Settlements (BIS) is often referred to as the „bank of central banks”. If you want to describe the role of the BIS metaphorically, you could see it as a kind of central coordinator for all central banks. It is therefore useful to take a closer look at the BIS’s ideas about the future monetary system. This short video message from June 2023 describes the BIS vision on this topic very clearly.

    The aim of BIS is to establish a unified ledger. A unified ledger refers to a single database or accounting system that is managed by a central authority and can be shared by different parties. The unified ledger is intended to be a programmable platform on which money and assets are digitally represented as tokens. According to BIS, a unified ledger with CBDCs can facilitate the linking of different elements of the financial system by storing central bank money in the same place as other tokenized claims. This allows complex transactions with tokenized money and assets to be automated without the need to reconcile individual steps separately between different databases, as all the necessary elements are stored in a unified database.

    Fig. 43: The BIS vision of the uniformity of the future financial system [BIS]

    This vision is reflected in the ECB’s proposed solutions – Option 3 und Option 4 (see Fig. 41).

    A token in the BIS world consists of two basic layers: Information about the „asset” (e.g. unique identifier, owner, custodian, origin, value, etc.) and rules (what the asset can and cannot do, e.g. for use in smart contracts).

    Fig. 44: The token definition according to BIS [BIS]

    The term „asset” has already been explained in connection with Fig. 40. In addition to the asset types listed there, the BIS definition also includes financial assets.
    Financial assets: These include assets that have a monetary value and can be traded on the financial markets. Examples include cash, bank deposits, shares, bonds, investment funds, derivatives and other financial instruments.

    The process of tokenizing such assets is carried out using so-called ramps. These ramps define a link between assets in traditional databases and their digital versions (see Figure 45). The assets in the traditional database are „locked” and serve as security for the digital tokens that are issued on the programmable platform. This ensures that the transfer of the digital tokens also guarantees the transfer of the real assets. So if you own a token, you also own the real asset it represents.

    Fig. 45: The process of asset tokenization [BIS]

    From the perspective of the Bank for International Settlements (BIS), the unified ledger consists of two main areas: the data environment and the execution environment. Specific rules, standards, and governance apply in these areas. The data environment hosts money, assets, and information that are either internal or external to the ledger. Each of these elements is divided into partitions that govern ownership or access. The execution environment carries out operations that affect these elements, either directly by users or through smart contracts (see Figure 46).

    Fig. 46: The unified ledger as envisioned by BIS. (The lock indicates that some operations may be performed on confidential encrypted data).  [BIS]

    The term „governance” refers to the way in which organizations or systems are directed, managed and controlled. It encompasses the defined rules, procedures, guidelines and mechanisms designed to ensure that an organization or system operates effectively, transparently, responsibly and in the best interests of all stakeholders.

    In a broader context, governance can also describe the way in which decisions are made, resources are managed and responsibilities are assigned. This can extend to different levels, including governance at the national or international level, corporate governance in companies or organizations, and self-governance in communities or groups.

    Good governance often includes characteristics such as accountability, transparency, participation, integrity and efficiency. It is about ensuring that decisions are made fairly and in line with the goals and values of the organization and that the interests of all stakeholders are adequately considered. In companies, strong governance can increase trustworthiness, reduce the risk of misconduct and promote long-term growth and sustainability.

    An important question concerns the scope of the main ledger. According to the Bank for International Settlements (BIS), the concept of a unified main ledger does not preclude the existence of separate ledgers for different use cases. However, the BIS assumes that in practice, it will initially likely be applied to specific applications where the immediate benefits are most evident. For example, one ledger could aim to improve securities settlement and involve only relevant parties, while another could focus on trade finance, such as in the shipping industry. Over time, the scope of the main ledger could expand through the inclusion of additional assets and companies. Ultimately, the expansion of the main ledger will be influenced by the specific needs and constraints of individual countries.

    Natura non facit saltum – Nature does not make a leap. However, nature is constantly changing. 

    Advancing global connectivity through technologies such as 5G, 6G and the Internet of Things (IoT), together with the introduction of ever more powerful technologies that are increasingly based on AI algorithms, is gradually changing various aspects of our lives. The motto „faster, further, higher” is driving this change and leading to a transformation of the economy into a „smart economy”, cities into „smart cities”, real estate into „smart buildings/homes” and cars into „smart cars”. This comprehensive „smartness” makes it possible to incorporate more and more assets into the data environment of a uniform ledger and to apply corresponding governance mechanisms as required.

    There are some parallels between the concept of the „Unified Ledger” proposed by the BIS and the Ethereum world (Chapter 3.8.). In both cases, users interact in a programmable environment with smart contracts to execute transactions using tokens that meet predefined conditions. When these conditions are met, the smart contract automatically executes the corresponding actions in the Ethereum blockchain.

    While Ethereum emphasizes the principle of „Code is Law”, the BIS speaks of governance. The Ethereum Foundation describes Ethereum as a protocol for human coordination. The unified ledger is promoted as a perfect foundation for seamless operations with assets.

    The interaction of the Unified Ledger with external information still resembles the approach of Chainlink (Chapter 3.8.1.). However, a significant difference lies in the fact that BIS, ECB, and similar institutions employ centralized permissioned architectures, which entail certain risks.

    Conclusion:
    Tokenization will encompass not only wholesale CBDC but also commercial bank money. As a result, the issue will concern not only large financial institutions but also the general public. It is likely that this will initially be applied in Business-to-Business (B2B) transactions and then seamlessly reach the Business-to-Customer (B2C) environment.

    The term Business-to-Business (B2B) refers to transactions that take place between two companies. For example, if a company buys computer hardware from another company, this would be a B2B transaction.
    The term Business-to-Consumer (B2C) refers to transactions in which a company sells products or services directly to consumers. For example, if you buy a pair of shoes online from a retailer, this is a B2C transaction.
    In simple terms, B2B refers to transactions between businesses, while B2C refers to transactions between a business and a consumer.

    In the document „Blueprint for the future monetary system: improving the old, enabling the new”, the BIS comments on the topic of Retail-CBDS as follows:

    „Enhanced digital representations of central bank money could include a retail variant open to use by ordinary users. A retail CBDC is a digital version of physical cash that can be used by households and firms for everyday transactions. By providing the public with a ready way to convert alternative private digital monies into digital cash, i.e. a direct link to the sovereign unit of account in digital form, the central bank would further support singleness.”

    4.3. Retail-CBDC – Heaven Is a Place on Earth

    Although retail CBDC represents only a part of the future tokenized financial system, it is at the center of attention and the subject of controversial discussions. Consumers fear the disappearance of cash, while banks are concerned about their business models and ultimately the financing of the real economy.

    Nowadays, most people use cash and digital commercial bank money, also known as bank money, for the exchange of goods and services. They are very familiar with these two forms of money. Changing their behavior and habits in handling money will not be easy.

    Broad public support is essential for the success of the CBDC. Consumers and retailers will ultimately be the end users. CBDC will not succeed if they are not convinced of its benefits. Educating the public about the pros and cons of CBDC will be critical to getting all stakeholders involved.

    Although the preparation and trial phase of the European Central Bank (ECB) will only be completed in the coming years, the promotional campaign is slowly gaining momentum. Some of the arguments the ECB uses to convince the public of the digital euro are summarized in the promotional film „The Digital Euro – Easy, Safe, Fast, Reliable”.

    Cash, commercial bank money, and the digital euro (after its introduction) fulfill the basic functions of money as legal tender: they serve as a store of value, a medium of exchange, and a unit of account. For these forms of money to be accepted by a broad population, they must also possess important characteristics such as privacy, accessibility, security, convenience, ease of use and cost efficiency. It is important to bear in mind that trust in the stability of money is crucial. However, this trust can quickly erode, especially in times of economic or political instability.

    The success of the digital euro as a retail CBDC depends on how it positions itself in relation to cash and commercial bank money, taking into account the aforementioned additional characteristics. Below, the three forms of money are compared from this perspective, starting with the current status quo.

    Physical cash vs. digital private bank money
    – a comparison from the end user’s perspective –
    „Never touch a running system.“

    Data protection / Privacy:

    Digital money and the associated transactions leave digital traces. Relevant information is collected by the respective banks, credit card companies, and private payment system operators. Authorities also have easy access to this data, especially when investigating suspected cases of tax evasion, money laundering, terrorism financing, or other illegal activities in accordance with applicable laws. Therefore, it is not possible to achieve the same level of anonymity as with cash.

    On the other hand, the use of cash for financial transactions is increasingly restricted by law in many countries. According to current EU regulations, cash payments are only permitted up to an amount of 10,000 euros. For cash transactions between 3,000 and 10,000 euros, the new regulation requires proof of identity as well as proof of the origin of the money. This data must be recorded and stored by merchants and institutions.

    In normal times, many people have no problem sacrificing their privacy to combat crime and terrorism. However, let’s recall the events in Hong Kong in 2019, when political protesters lined up to pay for their subway tickets in cash. The protesters expressed concerns that their card data could be traced and used as evidence against them if they were prosecuted by the police—similar to what happened to leading figures of the pro-democracy Umbrella Movement in 2014. This demonstrates that people in authoritarian regimes can suddenly recognize the importance of cash.

    Accessibility

    Cash is extremely easy to obtain. To have it, you simply need to find someone willing to give it to you.

    However, if you want to access digital money, you will need a bank card. To do this, you will need to convince the bank that you are who you say you are by showing your ID and assuring them that you will not use the card for illegal purposes. For most of you, this may not be a problem, but research data shows that in 2021, around 4% of the population in the EU still did not have a bank account. In emerging and developing countries, this percentage is significantly higher.

    What is particularly worrying is that there have been a number of cases where people have lost their bank accounts. One example of this is in the UK, where controversial politician Nigel Farage temporarily lost his bank account because his ‚values‘ did not match those of the bank. In Canada, private banks were pressured by the government to freeze the accounts of truck drivers protesting against the Covid-19 vaccination.

    Although bank accounts are accessible to most, they remain out of reach for many people and there is a real risk of losing access to them in certain circumstances.

    Security

    In terms of safety, there is a tie.

    On the one hand, carrying a lot of cash carries the risk of theft or loss. On the other hand, bank fraud is also a potential threat.

    However, when a financial crisis occurs, people often realize once again that digital private bank money is ultimately just a promise to pay physical central bank money.

    Cash is issued directly by the central bank and is physically available. It is backed by the authority of the central bank. Public confidence in the central bank and the stability of the currency play an important role in backing cash. If the central bank is considered trustworthy and the currency is stable, cash is automatically accepted and acquires an intrinsic value.

    The security of private digital money heavily depends on the financial stability of commercial banks. As described in Chapter 2.2.1., banks lend out a large portion of their customers‘ deposits to other customers and keep only a fraction of these deposits available for potential withdrawals (minimum reserve). To protect a substantial portion of these deposits in the event of a bank failure, banks contribute to a safeguard fund, also known as a deposit insurance system. Following the financial crisis of 2007-2008, only certain minimum standards were established at the EU level, such as the protection of deposits up to €100,000 per bank customer.

    In times of crisis, cash can serve as a secure emergency reserve, while private digital money depends on the liquidity of banks.

    Convenience

    Digitalization has revolutionized payment processing and will continue to do so in the future. Today’s payment methods are vastly different from a decade ago. With just one device or app, you can now make purchases on your watch while also using an app to split the cost of dinner with your date – all before you’ve even left the table. No more counting money or worrying about change. Carrying a bulky wallet or making regular trips to the ATM is also a thing of the past. As a merchant, accepting digital payments makes your administration much easier and saves you a trip to the bank to deposit cash receipts.

    The implementation of social distancing, lockdowns and the fear of potential virus transmission via physical cash during the pandemic have further boosted digital transactions and payments. The pandemic has accelerated the process of digitalization in all industries worldwide, which in turn has encouraged the spread of cashless payments. This development has increased the acceptance of electronic payments by merchants to facilitate e-commerce and contactless exchanges.

    In 2021, physical cash transactions accounted for 18% of POS transactions worldwide and are expected to fall to 10% by 2025. By region, the share of cash in 2021 was 44% in the Middle East and Africa (MEA), 36% in Latin America, 26% in Europe, 16% in Asia-Pacific and 11% in North America. A decline in cash usage is expected in all regions by 2025, for example to 31 % in MEA, 24 % in Latin America, 17 % in Europe, 8 % in Asia-Pacific and 6 % in North America. (Fig. 47).

    POS stands for „Point of Sale”. A POS transaction refers to a financial transaction that takes place at a physical point of sale, such as at the checkout of a store or at a sales stand.

    Fig. 47: Share of the mix of POS payment methods in % (2022 – 2025) [CBDC: Context, challenges, and conditions for a successful adoption, p.20]

    Ease of use / e-Commerce

    Online retail is booming, and not just since the start of the coronavirus pandemic. In 2023, three quarters (75%) of 16- to 74-year-olds in the EU said they had already shopped online. Online purchases were particularly widespread in the Netherlands (95%), Denmark (94%) and Sweden (91%). Germany came eighth in the EU ranking with 82%.

    In order to benefit from the advantages of online commerce, consumers have a variety of payment methods to choose from. The most common payment methods for e-commerce are shown in the illustration.

    Fig. 48: Common payment options in online retail [verbraucherschutz.com]

    With the rise of e-commerce, it is becoming increasingly difficult for cash, as it is practically impossible to use cash for online purchases.

    Cost efficiency

    As a consumer, this aspect may seem unimportant to you, as both digital payments and cash transactions appear to be free of charge at first glance. However, there are costs and inefficiencies associated with the use of cash within an economy. This includes the need for careful handling and management, secure transportation, security measures and the provision of equipment or personnel to count the money. It also requires continuous investment in security measures to protect against counterfeiting, which in turn leads to additional costs.

    In contrast, with each card payment made by a customer, a merchant pays a small fee to banks and card companies, which is factored into the pricing of their products or services.

    After comparing the two traditional forms of money, the following conclusion can be drawn:

    In summary, it can be noted that both traditional forms of money have their advantages and disadvantages, and neither of them is perfect.

    Retail-CBDC – Advantages and potential risks

    In order to alleviate public concerns about the introduction of CBDC and promote acceptance of this new form of money, it is crucial to publicly discuss both the benefits and the potential risks. How could such a discussion be framed from the perspective of CBDC proponents?

    Data protection / Privacy

    Unlike physical transactions with bills and coins, digital transactions leave digital footprints that are traceable and indelible. One characteristic of physical cash is its complete anonymity. There is no record of the transaction history. This is an indisputable fact.

    Although most citizens today have no problem with commercial banks, payment service providers and other private payment providers such as Visa, Mastercard or PayPal accessing their transaction data, privacy and data protection concerns regarding CBDC are clearly pronounced. Private individuals fear that the state has access to sensitive and personal information about transactions compared to the private sector. One explanation for this is that the impact of private companies could be limited or harmless, such as further advertising on their devices. In contrast, the consequences for the state could be more serious. The fears could also be due to an „innate” or „acquired” distrust of governments that hold a large amount of data on citizens, leading to concerns about state surveillance and the maxim „Big Brother is watching you”.

    Most people often ignore the fact that in a digital economy, the state already has access to data from private companies such as commercial banks and payment service providers. This is usually for a variety of reasons, including monitoring financial transactions to combat money laundering and terrorist financing, enforcing tax laws and maintaining financial stability. Access to such data is formally regulated by data protection laws and policies to protect the privacy of citizens.

    However, the technology behind CBDC allows for a much deeper form of surveillance. An insightful comment on this matter comes from Augustin Carstens, the General Manager of the Bank for International Settlements (BIS):

    Wouldn’t such a statement at least give you pause for thought? To alleviate concerns about government surveillance, it is the role of the authorities to reassure the public that adequate regulations and controls are in place. In this context, international organizations such as the OECD play an important role. The OECD document entitled „Central Bank Digital Currencies (CBDCs) and democratic values” contains some relevant statements on this topic.

    „One of the risks posed by CBDCs for society is their potential use as surveillance tools, given potential access to heightened levels of information about users, including transaction and account level information. At the extreme, CBDCs could give governments the ability to monitor and track all transaction and other financial activity details of users, and also the possibility to exert greater control over private transactions. Authorities could unjustly censor users and transactions without due process or recourse.

    Moreover, in a scenario in which CBDCs are used for largescale control of monetary transactions, CBDCs could become an instrument of control and social profiling, mbiased and discriminatory treatment of users and possible human rights abuse.“

    The OECD is an international organization with 38 member states that are committed to democracy and a market economy. Its members include many EU countries, the USA, Canada, the UK, Japan and Australia. The document emphasizes not only understanding the risks of introducing CBDCs, but also setting clear guidelines to ensure that democratic values are taken into account in the design and implementation of CBDCs. There are four main areas to which particular attention is paid: (i) Civil liberties and human rights; (ii) Equity: availability, accessibility and affordability; (iii) Privacy and integrity; (iv) Trust: Security, transparency, operational resilience and protection of the aforementioned values.

    Fig. 49: Democratic values for the design and implementation of CBDCs, as defined in the OECD report.

    The OECD considers data protection as follows:

    „In terms of privacy options, the lowest degree of privacy would involve a design wherein all onboarding/KYC and transaction data are visible to the central bank. The second lowest degree of privacy would involve transparency and visibility of the above data to the intermediary only. On the other end of the spectrum, no data is visible to any third party or the central bank itself, i.e., full anonymity, which is not a desirable feature, as this would make it impossible to control circulation and to prevent money laundering. It would also impede regulation and enforcement activities. Instead, a model of ‘selective privacy’ involves a higher degree of privacy for low-value / low-risk payments, involving simplified checks (e.g., specific wallet with lower requirements during onboarding). Under this model, higher-value transactions would remain subject to standard controls.“

    So far, none of the central banks conducting CBDC research have stated that they intend to collect and store detailed and specific data on citizens.

    „When it comes to the central bank, we propose that we do not have access to personal data.“ Fabio Panetta, ECB 2023.

    Instead, central banks have stated that the data collected will be gathered at an aggregated level to provide a better assessment and a more timely picture of the economic situation. The ECB report „Second update on the work of the digital euro scheme’s Rulebook Development Group” of January 2024 confirmed that the onboarding of end users of the digital euro will take place via supervised intermediaries. These intermediaries, mainly commercial banks, will also be responsible for the provision of Digital Euro Account Numbers (DEAN), user interfaces and alias registration. The collection of personal data will essentially not differ much from the procedure already used by commercial banks.

    Regardless of whether terms such as „selective privacy” or „pseudonymity” are used, it will not be possible to achieve the complete anonymity of physical cash. 

    „A permissioned CBDC system, where participation is managed by a trusted entity or set of trusted entities, could yield better results in terms of privacy protection of sensitive financial data: transaction history is generally only viewable by a small number of trusted entities and kept private with respect to others.“ [OECD]

    A counterargument from proponents of CBDC would be that the privacy and data protection of citizens can be better safeguarded compared to the current situation. They will emphasize the fact that private payment providers like Visa, Mastercard, or PayPal will not be able to access transaction data with CBDC to use it for cross-selling campaigns.

    Let’s recall the context: Money = Value = Trust.
    In the case of fiat currency, Trust = Trust in an institution/government.
    With CBDC Trust = TRUST in an institution/government.

    To what extent do you TRUST your government? That is the central question when it comes to privacy and data protection.

    Accessibility

    According to the European Central Bank’s report „Second update on the work of the digital euro scheme’s Rulebook Development Group” from January 2024, consumers will have to go through a similar process to that of digital private bank money to gain access to CBDC. Some of the onboarding steps will be automated and made more convenient and accessible to the public. Nevertheless, three essential components will be indispensable: identification (such as an ID card or digital ID), a digital wallet (for example as an app on a smartphone) and a bank account. In an interview, Nandan Nilekani, CEO of Infosys Technologies, explains this connection succinctly:

    Source: https://www.youtube.com/watch?v=lgnEg4MJvZI&t=2281s

    If you TRUST your government enough and equate accessibility with convenience, one might conclude that access to the CBDC can certainly be facilitated.

    Security

    Like cash, CBDC is also issued by central banks and backed by their authority, creating a new „safe asset” in digital form. CBDC therefore fundamentally competes directly with the private bank money of commercial banks.

    If the role of commercial banks is seen as less important in the further development of the financial system, retail CBDC could be made more investment-like, for example by paying interest on the CBDC amounts of end consumers like a savings offer. This would have far-reaching implications for commercial banks, as their deposit business would be severely impacted in this scenario and their entire business model would be called into question. If commercial banks are to continue to play an important role, CBDC could be limited exclusively to cash-like functions. As commercial banks currently have direct contact with end users, it is mainly up to them to influence the overall acceptance and success of CBDC. Therefore, any central bank is unlikely to introduce a central bank digital currency against the resistance of commercial banks and will consider CBDC exclusively as an alternative to cash in the initial phase.

    Another problem that can cause headaches for commercial banks is the so-called bank run scenario. A bank run occurs when a large number of people start withdrawing their deposits from a bank at the same time for fear that the bank may become insolvent. This can lead to financial difficulties or even the collapse of the bank, as it may not have enough liquid funds to cover all withdrawals (see also chapter 2.2.1.). In times of crisis, such a scenario could quickly become a reality. Instead of queuing in front of ATMs, after the introduction of CBDC, most people could convert their deposits at a commercial bank into the supposedly safer CBDC with a simple mouse click. To prevent this, central banks are likely to introduce a cap on CBDC holdings. In the eurozone, this limit will most likely not exceed EUR 3,000. According to the European Central Bank, transactions above the defined limit can be processed with the so-called waterfall function (waterfall or reverse waterfall) at the user’s request. Amounts above the limit are transferred either from or to the user’s commercial bank account.

    In practice, this means that the digital EURO account is directly linked to the commercial bank account and is considered more as a minor extension. In this scenario, the benefits of a „safe asset” for the end consumer are significantly mitigated.

    In terms of convenience and e-commerce, CBDC does not bring any significant innovations compared to digital private bank money.

    However, transaction costs for both retailers and end consumers could be reduced by the elimination of private payment service providers such as Visa, Mastercard, or PayPal. New technological innovations like Distributed Ledger Technology (DLT), tokenization, and smart contracts could further decrease costs for domestic and especially international money transfers.

    Therefore, the interim conclusion is as follows:

    A proponent of CBDC might argue that compared to digital private bank money, privacy, accessibility, security, and cost structure are improved. A neutral observer might mainly recognize the cost benefits and begin to question how far their trust in the government extends.

    Geopolitical advantages

    Currently, the US dollar is used directly or indirectly in about 88% of all global foreign exchange transactions. This use of the dollar, together with dollarization in some countries and the fact that many central banks hold the dollar as a reserve currency, gives the US a lot of power, even outside its borders. For example, they can exert influence on other countries through sanctions and political pressure. Recent events, such as the war in Ukraine and the West’s reaction to exclude Russia from the financial system, have led many countries to take an interest in CBDC in order to be better protected in the future.

    A functioning settlement system between any two central banks can ensure that economic activity can continue uninterrupted. Even if this system is more expensive than traditional channels, it can still be cheaper than the complicated network of banking relationships currently used to circumvent sanctions. Many countries looking to strengthen their own resilience will undoubtedly consider the importance of a reliable settlement system in the geopolitical landscape.

    The increasing geopolitical instability worldwide has prompted the ECB to accelerate the testing of the conceptual solutions described earlier for the settlement of central bank money for wholesale transactions (Wholesale CBDC).

    Although this aspect mainly concerns the development of wholesale CBDC, it is often used by proponents of retail CBDC as a convincing argument to emphasize the need for CBDC. Nothing unites more than an external enemy.

    Programmability

    In the previous chapters, it has been demonstrated that CBDC technology utilizes some key elements of technology from the crypto ecosystem. These include Distributed Ledger Technology, tokenization, and the use of Smart Contracts. This makes CBDC programmable, leading to various potential scenarios.

    For example, expiry dates could be introduced for stimulus funds, as well as expenditure restrictions for specific locations or regions and limitations on the use for specific goods such as groceries. There could also be restrictions prohibiting the purchase of other items such as alcohol and cigarettes. Such scenarios fuel the arguments of CBDC skeptics.

    At this point, once again, the connection between CBDC and democratic values is emphasized. In the document „Central Bank Digital Currencies (CBDCs) and democratic values”, the OECD addresses this issue as follows:

    „Although programmability could enable government or central bank-initiated programmable money that works only in certain ways, this would work against policy objectives of providing uniform CBDCs to citizens and promoting user trust. Payments programmability on the other hand, controlled by the users, could provide enhanced functionality for users to set rules on their payments. In some cases, it is envisaged that Payment Interface Providers and External Service Interface Providers could implement such programmable functionalities themselves, but they would require user consent and not be at the issuer’s direction.“

    The European Central Bank (ECB) distinguishes between two concepts: programmable money and programmable payments. With programmable money, conditions for the digital euro (as mentioned above) can be established. On the other hand, programmable payments refer to payments that can be automatically triggered when predefined conditions are met. In short, CBDC is a digital currency in electronic wallets used for transactions. Programmable payments concern the actions that can be performed with CBDC in electronic wallets.

    The ECB has explicitly ruled out programmable money but advocates for programmable payments. According to the ECB, programmable payments can enhance user experience and increase payment efficiency. This occurs at the level of commercial banks and payment service providers (PSPs) and not at the central bank level. It requires user consent and is not mandatory.

    Supporters of CBDC view programmable payments as the foundation for creating innovative financial services.

    Only time will tell what lies behind these innovative financial services.

    Some food for thought in this context can be found in the article „Rethinking the Rise of Global Central Bank Digital Currencies: A Policy Perspective” by Gengxuan et al.

    The authors of this study explore how the combination of CBDC and Smart Contracts can directly influence fiscal policy. Compared to the impacts of CBDC as a medium of exchange, the impacts of CBDC as a policy tool are even more significant and complex.

    Central banks traditionally employ a strategy called „Forward Guidance” to transparently communicate their future monetary policy plans. This communication concerns aspects such as the direction of interest rates or other monetary policy measures. The aim is to influence market expectations to steer economic outcomes such as investments, consumer confidence, or inflation. It is assumed that market participants will rationally respond to this information. However, the authors point out that most consumers, due to their cognitive abilities, only respond to this policy to a limited extent. Inflation expectations often do not factor into their spending and saving decisions.

    The question is how CBDC, in conjunction with Smart Contracts, can be used to incentivize individuals and households to make decisions aligning with the objectives of the central bank. This combination could enable central banks to influence the decision-making process of individuals, which can be rational, bounded rational, or psychologically motivated. Through Smart Contract technology, the costs and benefits of certain decisions for households can be altered. CBDC, coupled with programmable payments, could thus serve as an instrument to enhance the impact of monetary policy at the micro level.

    One potential application scenario could be tax reduction policy. If implemented via CBDC, the conditions of the tax reduction can be integrated into the Smart Contract. For example, it could be stipulated that the tax reduction must be used for consumption or investment purposes and not for debt repayment. Traditionally, tax incentives can influence consumption and investment behavior, but the benefits do not directly impact consumption and investment. Implementing conditional tax reductions through CBDC and Smart Contracts can directly affect consumption. Additionally, targeted tax reductions could be made for various consumer groups, such as low-income families, as they are particularly responsive to tax incentives.

    Through CBDC, government purchases can be processed using Smart Contracts. Such payments can be tailored to political goals, such as supporting small and medium-sized enterprises (SMEs). Often, SMEs cannot directly benefit from targeted tax reductions or purchases, leading to an unequal distribution of political support. CBDC and Smart Contracts could amplify these effects by obligating companies to conduct more business with SMEs.

    These are just a few examples of how retail CBDC could serve as an effective tool for implementing monetary policy measures and political goals at the individual level. This aligns with the concept of „reward and punishment” used in modern biopolitics. From the individual’s perspective, this type of governance appears as a kind of „good shepherd”, whose task is to promote the well-being of the people. The goal of this governmental technique is to encourage individuals to enhance their performance, strengths, and abilities to maximize their contribution to the society’s production apparatus. Through these regulatory methods, norms are established that differentiate between „normal” and „abnormal”. „Correction tools” are defined to help change individual behavior and shape the person as an integral part of the population.

    Norming in the biopolitical context leads to two complementary biopolitical actions:
    a) The promotion (inclusion) of those deemed worthy of promotion.
    b) The exclusion (exclusion) of those considered unworthy of promotion.
    More on this topic can be found here.

    Conclusion:

    The future development of the fiat financial system will be heavily influenced by technological elements that have been developed and tested in the crypto ecosystem. These include distributed ledger technology, tokenization, and smart contracts.

    In the medium to long term, both wholesale CBDC and commercial bank money will be digitized in the form of tokens. Tokens represent assets, physical objects, or intangible values on a programmable platform. As a result, both CBDC and commercial bank money will increasingly be integrated into smart contracts. This will initially be implemented in business-to-business (B2B) transactions and later transition seamlessly into the business-to-customer (B2C) environment.

    The introduction of retail CBDC aims to close the final gap in this tokenization process and be integrated into smart contracts as a digital version of physical cash.

    In addition to optimizing and accelerating internal banking processes and transactions, this transformation of the financial system aims to increase the geopolitical resilience of states or groups of states. The introduction of CBDC is directly linked to the preservation and defense of democratic values in society.

    The new infrastructure will enable central banks to collect aggregated data in order to obtain a more accurate picture of the economic situation. They could also use smart contracts to take prompt corrective action at both a macro and micro level. Implementation may vary depending on the democratic or authoritarian orientation of society. Therefore, trust in the government and its commitment to democratic values is particularly emphasized in this new constellation.

    In any case, CBDC will serve as a powerful instrument of biopolitics in modern societies, enhancing the coordination of all market participants in line with the central bank’s objectives. Through the close connection between central bank and government policies, the implementation of certain political agendas will also be supported.

    5. A glance into the future – Welcome to the tokenisation continuum

    If you are still uncertain about the potential development of European society following the introduction of CBDC and tokenized money in line with democratic values, it is advisable to take a closer look at the future vision of the „Tokenise Europe 2025” initiative. This initiative was launched by the European Commission and the Association of German Banks and is supported by the consulting firm Roland Berger as well as more than 20 member organizations from various countries and industries to advance the tokenization of Europe.

    The future of Europe is described as follows:

    In 2030, we no longer „go online”, because being online is an integral part of life. Technology and digital services are embedded in our daily routines, our work, our lifestyle, 24 hours a day.

    A DAY IN THE LIFE OF A TOKENISED EUROPE IN 2030

    07:00
    It’s getting warm outside. Simon is a European citizen and has a biunique digital identity token stored in his smart watch. Simon’s digital personal trainer receives fitness data from his smart watch while he is asleep. Simon’s tokenbased digital twin always calculates the best action for him to engage in next. The trainer creates a daily plan in line with Simon’s preferences and fitness condition. Today’s plan has already been sent to all his electronic devices before the alarm rings. A micro-payment to his digital personal trainer was made automatically even before Simon woke up. Since weather data has also been sent to his smart home and has been adjusted by his local sensor, the air-conditioning is activated. Simon gets some coins for data collected from his local sensor.

    07:30
    Time for breakfast! The refrigerator, aware of the weather and Simon’s fitness condition, will recommend that he eats light meals today. The refrigerator knows what is stored inside it and also knows Simon’s preferences (e.g. for organic food that is digitally certified by the producer via a digital token containing all information about production, transport and delivery). By combining this information with Simon’s digital ID and payment data, the refrigerator can reorder missing foods. Simon’s grocery supplier delivers the food to his door within 20 minutes.

    08:00
    Simon receives a suggestion from his electric transport provider: „Simon, you shouldn’t be walking the long way to the office in hot weather conditions. We recommend using an eco-friendly carpool. Please confirm the pre-booking we have made.” In 2030, all digital identities – those of people and machines alike – are stored in digital wallets. These wallets also include digital money, driving licences, insurance policies and details of the registered address etc. – in Simon’s case all in accordance with his personal preferences and the rules he himself has pre-defined as owner of the data. The electric car, which has recharged itself at the parking space overnight, is ready and waiting for him.

    08:15
    To ensure an optimal distribution of cars within the city, dynamic pricing modules calculate usage fees based on location and/or nearby events. After the car key has been sent to Simon’s smartphone as a digital twin, the usage fee is calculated in addition to the dynamic price-per-kilowatt-hour based on consumption. The insurance fee is payable via a separate insurance token and depending on his driving style. Today, he received a discount, because he is also the owner of a security token from the car sharing company, and today they paid a dividend.

    08:30
    Simon works in the logistics department of a textile company that manufactures its products outside Europe and has a global supply chain. In the days before tokenisation, global supply chains were challenging to manage because of the many suppliers, intermediaries and public authorities involved across many different countries – complexities that came on top of non-digital/paper processes, language barriers, legal differences and time-zone differences. In combination with digital contracts and transactions, tokenisation has vastly improved the transparency, safety and efficiency of such transactions.

    09:00-17:00
    From his office in Berlin, Simon can track every link in the production chain. Ms. Jin picks the cotton from a field in the Huang-Huai-Hai region and the cotton is delivered to the factory by Mr. Xiao. An embedded token contains information about which workers have worked on the product and been involved in transporting it by truck to the harbour and the ship etc. This is especially useful to ensure that sustainable and ethical production and transport standards have been fulfilled every step of the way. Since the contracts with the suppliers are defined as smart contracts in a distributed ledger technology network, all payments are automated. If the contractual requirements are met, the payment will automatically be booked from the company’s wallet while Simon is enjoying a coffee at the office. After making sure everything is fine with the transaction, Simon joins his business meeting, which takes place in a metaverse application.

    17:00
    At the end of his working day, Simon’s digital personal trainer reminds him to attend his sports class, which is also in the metaverse. His trainer, who lives in the USA, will be waiting for him, so both can have a digitally enabled training session as if they were in the same physical place.

    20:00
    After working out, Simon has dinner with Zeynep. The bill for the delicious dinner is sent directly to Simon’s wallet, where he chooses the tip amount and pays in digital euros. The wallet provider – his bank – sends him a notification every time a payment or other change is made in the wallet. Furthermore, his personal electronic wallet consists not only of means of payment, but also of a variety of tokenised assets: stocks, stablecoins, exchange traded funds (ETFs) and corporate bonds. Some of his friends even own fractions of classic cars, artworks, houses and other items in the same way. This is possible because, nowadays, previously illiquid asset classes, high-priced assets and expensive transactions can be digitally acquired and processed in small fractions at almost no transaction cost.

    After arriving home, Simon has a last look at the latest news broadcast in the metaverse based on his self-defined preferences. He then calls it a day.

    6. Epilogue

    Does this future vision, developed by the European Commission and the Association of German Banks, align with your expectations? Do you aspire to lead a comparable everyday life to Simon’s?

    If so, congratulations! You’re likely to experience an unconditional love story with CBDC and the associated system.

    If this vision evokes mixed feelings for you, your relationship with CBDC and the associated system may be more of a love story with reservations. Despite the perceived benefits of the new system, you may hope for the government to demonstrate a strong understanding of democracy and mitigate or at least consider the potential drawbacks of the system.

    History has taught us, however, that the understanding of democracy can evolve over time. It is influenced by various factors, including societal developments, political events, cultural changes, and individual experiences. For example, technological advancements, economic conditions, or political crises can impact the perception and interpretation of democracy. Media and political discourses can contribute to shifting perceptions and expectations regarding democracy over time.

    If you reject the vision, you may still trust that the government will keep its promise that the digital euro will not replace cash, even though there is no mention of cash in the vision.

    „Digitalization gives us the opportunity to shape democracy in a completely new way.”
    Yuval Noah Harari, author of „Sapiens: A Brief History of Humankind

    Sources (as of 25.05.2024)

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  • CBDC – Eine Liebesgeschichte mit Vorbehalten

    CBDC – Eine Liebesgeschichte mit Vorbehalten

    „Die Menschen müssen das Finanzwesen verstehen. Ich glaube, dass derzeit vielleicht ein Prozent der Bevölkerung wirklich versteht, wie das Finanzsystem funktioniert.“
    Yuval Noah Harari, BIS Innovation Summit, May 2024

    Vorwort

    Am Anfang war das Bedürfnis. Es ist der Urinstinkt, der seit den Anfängen der Menschheit besteht – der Wunsch, unser Überleben zu sichern, unser Wohlbefinden zu steigern und unsere Zufriedenheit zu finden. Diese ursprünglichen Bedürfnisse nach Nahrung, Schutz und sozialer Bindung waren der Motor für unsere Suche nach Lösungen. Wir begannen gemeinsam Nahrung anzubauen, uns zu schützen und soziale Netzwerke zu knüpfen.

    Während wir begannen, Güter und Dienstleistungen herzustellen, spezialisierten wir uns auf das, was wir am besten konnten. Diese Spezialisierung ermöglichte es uns, unsere Fähigkeiten zu perfektionieren und mehr von dem zu produzieren, was wir am besten konnten. Wenn jemand besonders gut darin war, Kleidung herzustellen, und ein anderer hervorragend im Anbau von Nahrung, war der Handel die logische Konsequenz. Durch den Austausch konnten wir unsere Ressourcen optimal nutzen und gleichzeitig unsere Vielfalt an Produkten und Dienstleistungen erweitern.

    In den frühesten Gesellschaften begann der Handel auf lokaler Ebene, wo Gemeinschaften ihre Überschüsse tauschten, um ihre individuellen Bedürfnisse zu befriedigen. Der Handel brachte nicht nur eine größere Vielfalt an Produkten und Dienstleistungen, sondern auch Wirtschaftlichkeit. Kurz gesagt, der Handel ist eine natürliche Antwort auf unsere Bedürfnisse und ein wesentlicher Bestandteil menschlicher Interaktion und Zusammenarbeit. Früher basierte der Handel hauptsächlich auf dem Tausch. Doch das stellte seine eigenen Herausforderungen dar.

    Dann kam das Geld. Geld machte den Handel einfacher und effizienter, indem es einen festen Wert repräsentierte und den direkten Tausch überflüssig machte. Es ermöglichte uns auch, Ersparnisse zu haben und für die Zukunft zu planen. Die Geschichte des Geldes erstreckt sich von der neolithischen Revolution vor etwa 10.000 Jahren bis in die Gegenwart, wobei sich das Geldsystem ständig weiterentwickelt und an den technologischen Fortschritten anpasst.

    Anfangs wurden Muscheln, Getreide oder Vieh als Zahlungsmittel verwendet. Später kamen Münzen und Papiergeld auf. Mit der Zeit entstand das Bankwesen, und moderne Währungen, wie wir sie heute kennen. Mit dem Aufkommen von Computern, dem Internet, Smartphones und drahtloser Kommunikation im 21. Jahrhundert begann die Digitalisierung des Finanzwesens. Dies führte zur Entstehung verschiedener elektronischer Zahlungsmethoden wie Kreditkarten, Online-Überweisungen und Kryptowährungen. Seit 2021 wird vermehrt über die Einführung von CBDC (Central Bank Digital Currency – Digitales Zentralbankgeld) für die breite Öffentlichkeit diskutiert.

    Dieser Artikel bietet eine verständliche Übersicht über die Entwicklung der Geldsysteme sowie über wesentliche technologische Entwicklungen, die als Basis für das zukünftige Finanzsystem dienen werden. Es werden Hintergründe und interessante Zusammenhänge beleuchtet, die die treibende Kraft hinter den weltweiten Bestrebungen bilden, CBDC als nächsten Meilenstein in der Geschichte des Geldes einzuführen. Und wir werden einen Blick auf die potenziellen Auswirkungen werfen, die die Einführung von CBDC auf unser wirtschaftliches, politisches, soziales und kulturelles Leben haben könnte.

    1. Geldsysteme und deren Entwicklung
    1.1. Was ist Geld?
    1.2. Warengeld
    1.3. Repräsentativgeld
    1.4. Fiatgeld

    2. Das Fiat-System – Alice im Wunderland
    2.1. Primäre Geldschöpfung
    2.2. Sekundäre Geldschöpfung
    2.2.1. Sekundäre Geldschöpfung über Kunden-Einlagen
    2.2.2. Sekundäre Geldschöpfung über Kreditvergabe
    2.3. Einfluss der Zentralbankpolitik auf die Geldmenge
    2.4. Die Risiken der lockeren Geldpolitik und ihre Auswirkungen
    2.5. Der Digitalisierungstrend

    3. Kryptowährungen – Alle Wege führen nach Rom
    3.1. Distributed Ledger Technologie (DLT)
    3.2. Blockchain-Technologie
    3.3. Das Token – The Swiss Army Knife
    3.4. Zentralisiertes vs. Dezentralisiertes Ledger-System
    3.5. Bitcoin (BTC) – Get Rich or Die Tryin’
    3.6. Tether (USDT) – Safe Haven (In God We Trust)
    3.7. Libra – The King is Dead, Long Live the King!
    3.8. Ethereum – Code is Law
    3.8.1. Chainlink – Oracles, mediators between the gods and humans
    3.8.2. Hinter den Kulissen – Behind the Scenes
    3.9. Zwischenbilanz

    4. CBDC – The Digital EURO – A New Star is Born
    4.1. Wholesale CBDC – Die Natur macht keinen Sprung (oder doch)
    4.2. Commercial Bank Money Token (CBMT) – Wer nicht mit der Zeit geht, geht mit der Zeit
    4.3. Retail-CBDC – Heaven Is a Place on Earth

    5. Ein Blick in die Zukunft – Welcome to the tokenisation continuum

    6. Epilog

    1. Geldsysteme und deren Entwicklung

    1.1. Was ist Geld?

    Geld ist im Grunde genommen ein Werkzeug, das es uns erleichtert, Dinge zu bekommen, die wir wollen oder brauchen, ohne sie direkt gegen andere Dinge eintauschen zu müssen. Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Apfel, den Sie gegen eine Banane tauschen möchten, aber Ihr Freund hat keine Banane, sondern etwas anderes, was Sie nicht unbedingt brauchen. Hier kommt Geld ins Spiel. Sie können Ihren Apfel gegen Geld eintauschen. Anschließend können Sie dieses Geld verwenden, um eine Banane von jemand anderem zu kaufen, der Bananen hat. Geld fungiert also gewissermaßen als „Mittelsmann“ beim Austausch von Gütern. Es ermöglicht uns, Waren und Dienstleistungen auf einfache Weise zu kaufen und zu verkaufen, ohne dass wir uns um den direkten Tausch von Gütern kümmern müssen.

    Das obige Beispiel funktioniert, weil Geld als allgemein akzeptiertes Tauschmittel dient. Es hat einen vereinbarten Wert, den die Menschen akzeptieren, und es erleichtert den Austausch von Waren und Dienstleistungen, selbst wenn diese nicht direkt getauscht werden können.

    In dem Beispiel haben alle Beteiligten Vertrauen in die Akzeptanz des Geldes als Zahlungsmittel. Wenn Sie Ihren Apfel gegen Geld eintauschen, gehen Sie davon aus, dass Sie später dieses Geld verwenden können, um etwas anderes zu kaufen, das Sie möchten, wie zum Beispiel eine Banane.

    Geld repräsentiert einen Wert. Doch damit Geld einen Wert hat, müssen die Menschen darauf vertrauen, dass es tatsächlich einen Wert hat und auch in Zukunft einen Wert behält, den sie nutzen können -> Geld = Wert = Vertrauen.

    Jedes Geldsystem, das sich im Laufe der Geschichte entwickelte, war eine Antwort auf die Bedürfnisse und Herausforderungen seiner Zeit. Lassen Sie uns nun einen kurzen Blick darauf werfen, wie sich Geldsysteme im Laufe der Zeit entwickelt haben.

    1.2. Warengeld

    Wie bereits erwähnt, entstanden Geldsysteme aus der Notwendigkeit heraus, den Handel und den Austausch von Waren und Dienstleistungen zu erleichtern. Im Vergleich zum geldlosen Tauschhandel erwies sich die Verwendung einer bestimmten gut tauschbaren Ware als effizienter. Beispiele für solche Tauschmittel waren Muscheln, Vieh, Getreide, Kakaobohnen oder Edelmetalle wie Gold und Silber. Diese Objekte hatten einen intrinsischen Wert (tatsächlichen, fundamentalen Wert) oder wurden als wertvoll angesehen, was sie zu einem akzeptablen Tauschmittel machte. Diese älteste Erscheinungsform des Geldes nennt man Warengeld.

    Abb. 1: Warengeld

    Edelmetalle stellten sich als besonders geeignet für die Verwendung als Warengeld heraus, hauptsächlich aufgrund ihrer hohen Haltbarkeit. Allerdings mussten diese Metalle mühsam gewogen und bei Bedarf geteilt werden. Daher war der nächste logische Entwicklungsschritt die Herstellung von Münzen oder Barren, die einen festgelegten Edelmetallgehalt und einen bestimmten Nennwert aufwiesen.

    1.3. Repräsentativgeld

    Im Verlauf der Geschichte empfanden die Menschen es als mühsam, Goldbarren oder andere Warenformen des Geldes über weite Strecken zu transportieren. Aus diesem Grund entstand im Laufe der Zeit aus diesen Tauschmitteln das Papiergeld, das als Basis für das Repräsentativgelddiente. Beim Repräsentativgeld wird der Wert durch einen physischen Gegenstand oder eine Ware repräsentiert. Ein einfaches Beispiel für Repräsentativgeld ist ein Goldzertifikat.

    Angenommen, Sie besitzen ein Goldzertifikat, das besagt, dass es einen Anspruch auf eine bestimmte Menge Gold hat, beispielsweise eine Unze Gold. Das Zertifikat selbst ist kein physisches Gold, sondern eine Versprechung, dass der Inhaber dieses Zertifikats eine bestimmte Menge Gold von einer bestimmten Stelle erhält, beispielsweise von einer Bank oder einem Goldlager.

    Jetzt können Sie dieses Goldzertifikat verwenden, um Waren oder Dienstleistungen zu kaufen. Wenn Sie beispielsweise ein Fahrrad kaufen möchten, können Sie dem Verkäufer das Goldzertifikat geben. Der Verkäufer akzeptiert das Zertifikat, weil er darauf vertraut, dass er es später bei der Bank oder dem Goldlager gegen eine tatsächliche Unze Gold einlösen kann.

    Auf diese Weise repräsentiert das Goldzertifikat den Wert des Goldes. Es erleichtert den Handel, ohne dass tatsächlich physisches Gold den Besitzer wechseln muss.

    Banknoten und Münzen können ebenfalls die Rolle des Goldzertifikats im obigen Beispiel übernehmen. Angenommen, anstelle eines Goldzertifikats besitzen Sie Banknoten, die von der Bank ausgegeben wurden und den Wert einer bestimmten Menge Gold repräsentiert (z. B. 1.000 US-Dollar für einen Goldbarren). Diese Banknoten können dann als Zahlungsmittel verwendet werden, um Waren oder Dienstleistungen zu kaufen. Der Verkäufer akzeptiert die Banknoten, weil er darauf vertraut, dass er sie bei Bedarf bei der Zentralbank gegen den entsprechenden Wert in Gold einlösen kann.

    Das Geld selbst hat keinen inneren Wert, sondern repräsentiert den Wert des hinterlegten Vermögenswerts und wird als Tauschmittel verwendet.

    Abb. 2: Repräsentativgeld

    Banknoten erwiesen sich nicht nur als viel handlicher, sondern ermöglichten es den Menschen auch, zum Beispiel einen Dollarschein für eine Tasse Kaffee auszugeben, ohne ihren Goldbarren in tausend Stücke schneiden zu müssen. Wenn sie ihr Geld zurückhaben wollten, brachten sie einfach die Dollarscheine zurück zur Bank, um sie gegen die tatsächliche Form des Geldes, in diesem Fall den Goldbarren, einzulösen, wann immer sie es benötigten. Auf diese Weise begann man, Papier als praktisches und bequemes Zahlungsmittel zu nutzen.

    1.4. Fiatgeld

    Doch im 20. Jahrhundert hat eine Kombination von wirtschaftlichen und politischen Faktoren dazu geführt, dass diese Verbindung zwischen dem Papiergeld und dem Gold, für das es steht, aufgehoben wurde.

    Während der beiden Weltkriege waren viele Länder gezwungen, einen beträchtlichen Teil ihrer Goldreserven zu verwenden, um die Kosten des Krieges zu decken.  Um mehr Geld in Umlauf zu bringen, haben einige Länder vorübergehend den Goldstandard aufgegeben. Diese Maßnahme hatte jedoch zur Folge, dass Inflation und Währungsinstabilität anstiegen.

    Während wirtschaftlicher Krisen wie der Großen Depression oder in Phasen wirtschaftlicher Abschwünge waren Länder aufgrund der starren geldpolitischen Vorgaben des Goldstandards nicht in der Lage, flexibel und effektiv zu reagieren. Dies führte zu längeren Rezessionen und einem Anstieg der Arbeitslosigkeit.

    Nach dem Zweiten Weltkrieg verzeichnete die Weltwirtschaft wiederum ein kräftiges Wachstum und einen Anstieg des internationalen Handels. Die strikten Einschränkungen des Goldstandards erwiesen sich jedoch als nachteilig für die Flexibilität der Geldpolitik, um auf solche wirtschaftlichen Veränderungen zu reagieren.

    Aus politischer Sicht wurde der Goldstandard als eine Einschränkung betrachtet, die die Handlungsfreiheit der Regierungen einschränkte und sie daran hinderte, eine proaktive Wirtschaftspolitik zu betreiben.

    Es reicht zu sagen, dass Regierungen ihren Bürgern versichert haben, dass sie selbst für den Wert dieses Papiergeldes garantieren würden. Die Gesellschaft hat sich darauf eingelassen, mit Papiergeld zu handeln, das allein auf dem Versprechen der Regierungen beruht. So entstand das sogenannte Fiatgeld.

    Fiatgeld ist Geld, das seinen Wert nicht durch einen physischen Wert wie Gold oder Silber erhält, sondern durch das Vertrauen und die Akzeptanz der Menschen sowie die Autorität der Regierung, die es herausgibt. Ein einfaches Beispiel für Fiatgeld ist das Papiergeld oder die Münzen, die wir täglich verwenden. Der Wert dieser Banknoten und Münzen wird durch das Vertrauen gestützt, dass sie als Zahlungsmittel akzeptiert und von der Regierung garantiert werden, die sie herausgibt. Solange die Menschen Vertrauen in die Stabilität und den Wert des Fiatgeldes haben, behält es seinen Wert und seine Funktion als Tauschmittel.

    Abb. 3: Fiatgeld

    Eine kompakte und dennoch ausführliche Begriffserklärung und Übersicht zu diesem Thema bietet der Video-Beitrag „Was ist Geld? Der Wert des Geldes einfach erklärt“ von Finance Fellows.

    2. Das Fiat-System – Alice im Wunderland

    „Würden die Menschen das Geldsystem verstehen, hätten wir eine Revolution noch vor morgen früh.“
    Henry Ford

    Im Laufe der Zeit hat sich das Vertrauensmodell gewandelt – von der Vertrauenswürdigkeit eines materiellen Objekts wie Gold hin zu einem Vertrauen in Institutionen wie Zentralbanken.

    Im Fiat-System legen Regierungen den Wert einer Währung fest und erklären sie zum gesetzlichen Zahlungsmittel. Dabei obliegt es der Regierung zu bestimmen, ob ein Zahlungsmittel innerhalb eines Landes oder einer Gerichtsbarkeit für Finanztransaktionen, Handelsabwicklungen oder den allgemeinen Handel anerkannt wird.

    Das Fiat-Bankensystem umfasst eine Reihe von Banken, einschließlich Zentralbanken und Geschäftsbanken, siehe folgende Abbildung.

    Abb. 4: Bankensystem im Rahmen des Fiat-Finanzsystems

    Die Zentralbank ist die höchste Bank eines Landes und verantwortlich für die Steuerung der Geldpolitik sowie die Regulierung der Geldmenge im Umlauf. Sie ist die einzige Institution, die gesetzliches Zahlungsmittel herausgeben kann. Die Zentralbank beeinflusst den Geldfluss, indem sie Zinssätze festlegt, Geld druckt oder aus dem Umlauf nimmt und andere geldpolitische Maßnahmen ergreift, um die Stabilität der Währung und der Wirtschaft zu fördern. Dazu gehört auch die Überwachung des Bankensystems. Zentralbanken werden in der Regel als unabhängige Institutionen von der Regierung eines Landes eingerichtet und beaufsichtigt. Sie arbeiten oft mit anderen Regierungsbehörden und internationalen Institutionen zusammen, um die wirtschaftliche Stabilität zu unterstützen.

    Geschäftsbanken sind private Banken, die Finanzdienstleistungen für Einzelpersonen, Unternehmen und andere Organisationen anbieten. Sie nehmen Einlagen entgegen, gewähren Kredite, ermöglichen Transaktionen und bieten andere Bankdienstleistungen an. Diese Banken nutzen die von der Zentralbank ausgegebenen Währungseinheiten, um Geschäfte zu tätigen und Transaktionen abzuwickeln.

    Jede Geschäftsbank ist verpflichtet, ein Konto bei der Zentralbank zu führen, das als Zentralbankkonto bezeichnet wird. Auf diesem Konto hat die Geschäftsbank ein Guthaben, das sie verwenden kann, um Bargeld von der Zentralbank zu erhalten oder dorthin zu überweisen. Dieses Guthaben und das physische Bargeld, das von der Zentralbank stammt, werden zusammen als Zentralbankgeld bezeichnet, da es ausschließlich von der Zentralbank geschaffen wird.

    Abb. 5: Zentralbankkonten der Geschäftsbanken

    Die Zentralbankguthaben der Geschäftsbanken können auf verschiedene Weise entstehen. Einerseits gewährt die Zentralbank diesen Banken Kredite, die dann als Guthaben auf dem Konto der Geschäftsbank verbucht werden. Um diese Kredite zu erhalten, müssen die Geschäftsbanken Sicherheiten wie Wertpapiere hinterlegen und Zinsen dafür zahlen.

    Wertpapiere sind Papiere, die einen bestimmten Wert repräsentieren. Sie können zum Beispiel Aktien, Anleihen oder Investmentfondsanteile sein.
    Aktien sind Anteile an einem Unternehmen. Wenn man eine Aktie kauft, besitzt man einen kleinen Teil dieses Unternehmens.
    Anleihen sind Schuldtitel. Wenn man eine Anleihe kauft, leiht man dem Herausgeber (zum Beispiel einem Staat oder einem Unternehmen) Geld und bekommt im Gegenzug Zinsen und das geliehene Geld später zurück.
    Investmentfondsanteile sind Teile eines Fonds, der von einem Fondsmanager verwaltet wird. Dieser Fonds investiert das Geld vieler Anleger in eine Vielzahl von Wertpapieren, um das Risiko zu streuen.

    Andererseits können Zentralbankguthaben auch entstehen, wenn die Zentralbank Vermögenswerte wie Immobilien, Staatsanleihen oder Gold von Geschäftsbanken erwirbt. In diesem Fall schreibt die Zentralbank den Kaufbetrag auf dem Konto der betreffenden Geschäftsbank gut.

    Abb. 6: Entstehung von Guthaben auf Zentralbankkonten

    Zusätzlich sind Geschäftsbanken verpflichtet, ein Mindestguthaben auf ihrem Zentralbankkonto vorzuhalten, das als Mindestreserve bezeichnet wird. Diese Mindestreserve wird von der Zentralbank festgelegt. Dafür addiert sie die Einlagen aller Geschäftsbankkonten und diese Summe wird mit einem festgelegten Prozentsatz multipliziert.

    Abb. 7: Mindestreserve-Bankwesen

    Die Funktion eines Zentralbankguthabens besteht darin, dass Geschäftsbanken ihren Kunden bei Bedarf Bargeld zur Verfügung stellen können. Wenn Kunden beispielsweise Geld abheben möchten, müssen die Geschäftsbanken sicherstellen, dass sie genügend Bargeldreserven haben, um diesen Bedarf zu decken. Dies erfordert, dass die Geschäftsbanken auf ihre Guthaben bei der Zentralbank zugreifen und diese verwenden, um Bargeld zu beschaffen.

    Des Weiteren werden die Zentralbankguthaben der Geschäftsbanken für den bargeldlosen Zahlungsverkehr zwischen den Banken benötigt. Wenn eine Geschäftsbank Geld an eine andere Geschäftsbank überweisen möchte, wird diese Transaktion in der Regel über ihre Guthaben bei der Zentralbank abgewickelt.

    Fiat Lux – Geld aus dem Nichts

    In Anlehnung an das biblische Sprichwort „Fiat Lux“ bezieht sich der Begriff „Fiatgeld“ darauf, dass Geld gewissermaßen „aus dem Nichts entsteht“. Die nachfolgenden Erläuterungen verdeutlichen diesen Prozess.

    2.1. Primäre Geldschöpfung

    Der Prozess beginnt mit einem Regierungsauftrag. Angenommen, die Regierung beschließt, um die Wirtschaft anzukurbeln, zusätzliche 100 Millionen Euro in Umlauf zu bringen. Für die Umsetzung dieses Auftrags ist die Zentralbank verantwortlich, die beispielsweise diese Summe den Geschäftsbanken als Kredit zur Verfügung stellt. Dadurch wächst das Guthaben auf den Zentralbankkonten der Geschäftsbanken. Diese können einen Teil oder die ganze Summe in Form von Bargeld von ihren Zentralbankkonten abheben. Um das zusätzliche Bargeld zur Verfügung zu stellen, werden anschließend die entsprechenden Banknoten gedruckt und mit Geldtransportern zu den Tresoren der Geschäftsbanken transportiert.

    Die 100 Millionen Euro werden buchstäblich aus dem Nichts geschaffen, da es nicht durch einen intrinsischen Wert wie Gold oder Silber gedeckt ist. Aber das ist nur der erste Teil der Geldschöpfungskette.

    Abb. 8: Primäre Geldschöpfung: In diesem Beispiel entnimmt die Geschäftsbank 20% der Summe in bar, um kurzfristig Bargeldabhebungen ihrer Kunden zu bedienen. Die verbleibenden 80% der Summe dienen als Sicherheit bei der Zentralbank und ermöglichen es der Geschäftsbank, Kredite an ihre Kunden zu vergeben.
    2.2. Sekundäre Geldschöpfung

    Wie bereits erwähnt, fungieren die Geschäftsbanken im Rahmen des Fiatfinanzsystems als Vermittler zwischen der Zentralbank und der breiten Öffentlichkeit. Sie nehmen Einlagen von Einzelpersonen und Unternehmen entgegen und halten einen Teil dieser Einlagen als Reserve. Die Banken nutzen den Rest, um Kredite zu vergeben und Zinseinnahmen zu erzielen. Auf diese Weise spielt das Bankensystem eine wichtige Rolle bei der Schaffung und Verteilung von Geld im Wirtschaftskreislauf.

    2.2.1. Sekundäre Geldschöpfung über Kunden-Einlagen

    Angenommen, Alice hat von ihrer Oma zum Geburtstag 100 EUR in bar erhalten. Da sie das Bargeld nicht ständig bei sich tragen möchte, entscheidet sie sich, es auf ihr Bankkonto bei Bank A einzuzahlen. Dadurch wird das Bargeld in Buchgeld umgewandelt, das auch als Giralgeld bezeichnet wird.

    In ihrer Bilanz verbucht die Bank die Einzahlung von Alice auf der Passivseite. Für die Bank stellt diese Einzahlung eine Verbindlichkeit dar, da sie Alice 100 EUR Bargeld schuldet. Um die Bilanz auszugleichen, bucht die Bank die 100 EUR in ihre Reserven. Dadurch werden die 100 EUR physisch im Tresor der Bank hinterlegt und erhöhen das Vermögen der Bank.

    Abb. 9: Umwandlung von Bargeld in Buchgeld

    In den meisten Rechtsordnungen wird eine Bankeinlage nicht als Kaution betrachtet. Das bedeutet, dass das eingezahlte Geld nicht länger im Besitz des Kunden bleibt. Stattdessen geht das Geld in den Besitz der Bank über, und der Kunde erhält im Austausch einen Vermögenswert, der als Einlagenkonto (Giro- oder Sparkonto) bekannt ist. Dieses Einlagenkonto wird in der Bilanz der Bank als Verbindlichkeit ausgewiesen. Einfach ausgedrückt bedeutet dies, dass ein Kunde sein Geld praktisch der Bank gibt, die es in ihrem Besitz behält. Im Gegenzug erhält der Kunde von der Bank das Versprechen, sein Geld zu einem späteren Zeitpunkt oder nach Bedarf zurückzuerhalten. Dieses Versprechen wird in der Regel durch das Einlagenkonto des Kunden dokumentiert, dass eine Verbindlichkeit der Bank darstellt.

    Da das Geld nun praktisch der Bank gehört, setzt sie es ein, um Gewinne zu erzielen, indem sie es weiter verleiht. Hier kommt das Konzept der Mindestreserve ins Spiel. Mindestreserven sind ein wesentlicher Bestandteil des Bankwesens und werden weltweit angewendet. Es besagt, dass Banken, die Einlagen von der Öffentlichkeit entgegennehmen, nur einen Teil dieser Einlagen als Reserve in liquiden Mitteln halten müssen. Diese Bankreserven können entweder als Bargeld in den Tresoren der Geschäftsbank oder als Guthaben auf dem Konto der Geschäftsbank bei der Zentralbank gehalten werden. Wie bereits beschrieben, hat die Zentralbank eines Landes die Befugnis, einen festgelegten Betrag an Reserven zu bestimmen, den Banken halten müssen. Dieser Betrag wird als „Mindestreserveanforderung“ oder „Mindestreservesatz“ bezeichnet. [Fractional-reserve banking]

    In unserem Beispiel gehen wir davon aus, dass der Mindestreservesatz 10% beträgt. Das bedeutet, dass die Bank von Alice Einlagen einen Betrag in Höhe von 90 EUR als Kredit vergeben kann. Wenn der Kreditnehmer mit diesen 90 EUR ein Fahrrad kauft und das Geld auf das Konto des Fahrradverkäufers bei Bank B überweist, entsteht eine Verbindlichkeit der Bank B gegenüber dem Fahrradverkäufer in Höhe von 90 EUR. Um ihre Bilanz auszugleichen, bucht Bank B diese 90 EUR als Reserve um, was sie als Teil ihres Vermögens verbucht.

    Aus den ursprünglichen 100 EUR Bargeld sind nun 190 EUR Buchgeld entstanden. Nach dem nächsten Zyklus werden daraus 271 EUR.

     Abb. 10: Sekundäre Geldschöpfung über die Einlagen

    Nach jeder neuen Kreditvergaberunde erhöht sich die Buchgeldmenge. Bei einem Mindestreservesatz von 10% können aus 100 EUR Zentralbankgeld (in Form von Bargeld) bis zu 1.000 EUR Buchgeld entstehen.

    Die maximale Menge an Buchgeld, die aus dem Nichts entstehen kann, hängt vom Mindestreservesatz ab. Der Geldschöpfungsmultiplikator wird wie folgt berechnet:

    Abb. 11: Geldschöpfungsmultiplikator

    Dieses Beispiel demonstriert die sekundäre Geldschöpfung aus den Kunden-Einlagen bei den Geschäftsbanken. Wie dieser Vorgang sich im Falle einer Kreditvergabe abspielt, kann man wie folgt veranschaulichen.

    2.2.2. Sekundäre Geldschöpfung über Kreditvergabe

    Angenommen, die Familie von Alice möchte ein Haus kaufen und beantragt einen Kredit von 100.000 EUR bei ihrer Geschäftsbank. Die Bank genehmigt den Kredit und bucht den Betrag von 100.000 EUR auf das Bankkonto der Familie. In diesem Szenario verwendet die Bank das Geld nicht aus den Einlagen ihrer Kunden, sondern leiht es sich von der Zentralbank.

    Bei einem Mindestreservesatz von 10% benötigt die Geschäftsbank lediglich 10.000 EUR Zentralbankgeld, um einen Kredit von 100.000 EUR in Form von Buchgeld zu vergeben. Dadurch entstehen zusätzlich 90.000 EUR Buchgeld aus dem Nichts. Die Bank verbucht die Kreditsumme auf der Aktivseite ihrer Bilanz, das bedeutet, dass die Bank den Anspruch auf die Rückzahlung des Kredits als Vermögenswert in ihrer Bilanz ausweist. Die Bank kann also einen Teil des bewilligten Kredits als Grundlage für die Vergabe neuer Kredite verwenden. Dabei entsteht neues Buchgeld, da die Bank Kredite vergibt, die über die ursprüngliche Einlage hinausgehen. Dieser Prozess wird als Multiplikator der Kreditvergabe bezeichnet und trägt zur Erweiterung der Geldmenge in der Wirtschaft bei.

    Die Familie kann nun Handwerks- und Baufirmen bezahlen, die wiederum Baumaterialien kaufen und Löhne an ihre Mitarbeiter zahlen. Das Buchgeld gelangt dann zu anderen Geschäftsbanken, die es gemäß dem im Kapitel 2.2.1. beschriebenen Prinzip erneut verleihen können.

    Abb. 12: Sekundäre Geldschöpfung über Kreditvergabe

    In Summe bedeutet dies, dass wesentlich mehr Geld verliehen werden kann, als ursprünglich in Umlauf gebracht wurde.

    2.3. Einfluss der Zentralbankpolitik auf die Geldmenge

    Durch die Definition des Mindestreservesatzes kann die Zentralbank indirekt die Buchgeldmenge beeinflussen.

    Neben den Mindestreservesatz kann die Zentralbank durch den sogenannten Leitzins Einfluss auf die Geldpolitik ausüben. Der Leitzins ist der Zinssatz, zu dem Geschäftsbanken sich Geld von der Zentralbank leihen können. Wenn die Zentralbank den Leitzins senkt, wird das Kreditangebot erhöht und die Wirtschaft angekurbelt, da es für Geschäftsbanken günstiger wird, sich Geld zu leihen und es an Unternehmen und Verbraucher weiterzugeben. Wenn die Zentralbank den Leitzins erhöht, dämpft dies normalerweise die Inflation, indem es teurer wird, sich Geld zu leihen, was die Ausgaben der Verbraucher und Investitionen der Unternehmen reduziert. Der Leitzins hat also einen erheblichen Einfluss auf die Kreditkosten, die Verfügbarkeit von Krediten und damit auf das gesamte wirtschaftliche Umfeld. Soweit die Theorie.

    In unseren Rechenbeispielen wurde eine Mindestreserve von 10% angenommen. Die Europäische Zentralbank EZB schreibt eine Mindestreserve von lediglich 1 Prozent vor.

    Fazit: Fiatgeld entsteht durch eine Kombination aus Regierungsbefugnis, Maßnahmen der Zentralbank, Kreditvergabe durch Geschäftsbanken und Mindestreserve-Bankwesen. Es basiert auf Vertrauen in die Regierung und das Finanzsystem, nicht auf einem intrinsischen Wert der Währung.

    2.4. Die Risiken der lockeren Geldpolitik und ihre Auswirkungen

    Einige betrachten diese Dynamik als eine kollektive Illusion. Doch worauf stützt sich diese Behauptung?

    Zentralbanken, indem sie die Geldmenge kontrollieren und Zinssätze beeinflussen, können durch eine lockere Geldpolitik zu einer Überkreditvergabe und übermäßigen Verschuldung führen. Das Fiatgeldsystem erlaubt es Banken, ohne angemessene Sicherheiten oder Risikoprüfungen beträchtliche Kreditmengen zu vergeben, was zu einem Anstieg riskanter Kredite führt.

    Diese Praxis ermöglicht die Entstehung komplexer Finanzprodukte, die Risiken verbreiten und verschleiern können, was die Anfälligkeit des Finanzsystems für Schocks erhöht. Zusätzlich schaffen Rettungsaktionen der Regierung Anreize für riskantes Verhalten, da Banken und Finanzinstitute davon ausgehen können, im Falle von Problemen unterstützt zu werden, was zu einer übermäßigen Risikobereitschaft und Engagement in riskanten Geschäften führt.

    Eine ausgewogene Geldmenge im Umlauf gilt als entscheidender Motor für wirtschaftliches Wachstum. Doch ein rasantes Anwachsen der Geldmenge ohne entsprechendes reales Wirtschaftswachstum kann zu einer Überbewertung von Vermögenswerten wie Aktien, Immobilien oder Rohstoffen führen. Dies birgt die Gefahr von Vermögensblasen, deren Instabilität sich langfristig zeigen kann und zu plötzlichen Kurskorrekturen oder wirtschaftlichen Turbulenzen führen kann.

    In den ersten Jahren dieses Jahrhunderts zeigte sich ein solches Szenario. Über einen längeren Zeitraum spekulierten Geschäftsbanken darauf, dass die Preise für Wohnimmobilien in den USA unaufhaltsam steigen würden. Eine lockere Geldpolitik mit niedrigen Zinsen und großzügiger Kreditvergabe ermöglichte es selbst Personen ohne regelmäßiges Einkommen, Immobilienkredite zu erhalten. Die Banken betrachteten die von ihnen finanzierten Wohnimmobilien als alleinige Sicherheit für die Kredite, was die Nachfrage nach Immobilien stark ankurbelte und die Preise irrational in die Höhe trieb.

    Eine wirtschaftliche Abschwächung, begleitet von Zinserhöhungen seitens der US-Zentralbank, führte dazu, dass immer mehr Kreditnehmer ihre steigenden Raten für Immobilienkredite nicht mehr bedienen konnten. Dies zwang eine wachsende Anzahl von Menschen dazu, ihre Immobilien zu verkaufen, was wiederum zu einem Einbruch der Immobilienpreise führte. Da diese Immobilien jedoch als Sicherheiten für die vergebenen Kredite dienten, brach das Kartenhaus zusammen, und die Geschäftsbanken erlitten massive finanzielle Verluste.

    Das Vertrauen zwischen den Banken war erschüttert, wodurch sie aufhörten, sich gegenseitig Geld zu leihen. Dies führte dazu, dass die renommierte Investmentbank Lehman Brothers sich nicht refinanzieren konnte, illiquide wurde und bankrottging. Diese Kettenreaktion griff nicht nur auf das Bankensystem über, sondern wirkte sich auch auf die reale Wirtschaft aus. Unternehmen hatten plötzlich Schwierigkeiten, Kredite zu erhalten, und die Folgen waren unabwendbar.

    Durch die globale Vernetzung und Digitalisierung des Finanzsystems haben sich die Schockwellen dieser Krise schnell weltweit ausgebreitet. Die Krise in einem Bereich des Finanzsystems konnte sich rasch auf andere Bereiche ausweiten und damit die Gefahr von systemweiten Risiken erhöht.

    Fazit: Die Struktur des Fiatgeldsystems hat die weltweite Finanzkrise von 2007-2008 begünstigt, die zu einem Vertrauensverlust in das Finanzsystem und schwerwiegenden wirtschaftlichen Folgen weltweit führte.

    Um dieser schwerwiegenden Krise entgegenzuwirken, griffen sowohl die Europäische Zentralbank (EZB) als auch die amerikanische Zentralbank (FED) massiv ein und senkten über längere Zeiträume den Leitzins auf null Prozent. Ihr Ziel bestand darin, den Geschäftsbanken den Zugang zu Zentralbankgeld zu erleichtern, dieses in Form von Buchgeld in Umlauf zu bringen und durch die Vergabe neuer Kredite die Wirtschaft anzukurbeln.

    Als Ergebnis dieser Politik wuchs die Geldmenge M3 in der Eurozone in den letzten 20 Jahren permanent – von 4.67 Billionen EUR im Jahr 1999 auf über 16 Billionen EUR im Jahr 2023.

    Die Geldmenge M3 ist eine Messgröße für das gesamte Geld in einer Volkswirtschaft, das leicht verfügbar ist. Es umfasst nicht nur Bargeld und Münzen, sondern auch Geld auf Bankkonten, Spareinlagen, kurzfristige Anlagen wie Geldmarktfonds und ähnliche liquide Vermögenswerte. Diese breitere Definition ermöglicht es, die Gesamtliquidität einer Volkswirtschaft zu erfassen, also wie viel Geld insgesamt verfügbar ist, um Dinge zu kaufen oder zu investieren.

    Abb. 13: Entwicklung der Geldmenge M3 in der Eurozone von 1999 bis 2023 [statista]

    Die Geldumlaufgeschwindigkeit sank jedoch in der Eurozone in den letzten 20 Jahren, was auf verschiedene Faktoren zurückgeführt werden kann. Zu diesen Faktoren gehören unter anderem die Auswirkungen der Finanzkrise 2007-2008, die veränderten Kreditbedingungen, die geldpolitischen Maßnahmen der Europäischen Zentralbank (EZB) sowie strukturelle Veränderungen in der Wirtschaft.

    Abb. 14: Umlaufgeschwindigkeit des Geldes in der Eurozone von 1995 bis 2023 [TAGESGELDVERGLEICH.net]

    Makroökonomisch betrachtet, ist die Geldumlaufgeschwindigkeit ein wichtiger Indikator für die Aktivität und das Tempo der Wirtschaftstätigkeit in einem Land oder einer Wirtschaftsregion. Sie zeigt an, wie schnell das Geld durch das Wirtschaftssystem zirkuliert und wie effizient es für den Kauf von Gütern und Dienstleistungen genutzt wird.

    Eine hohe Geldumlaufgeschwindigkeit deutet oft auf eine lebendige Wirtschaft hin, in der viele Transaktionen stattfinden und das Geld schnell von einer Hand zur nächsten weitergegeben wird. Dies kann ein Zeichen für ein hohes Maß an wirtschaftlicher Aktivität und Wachstum sein. Eine schnellere Umlaufgeschwindigkeit bedeutet auch, dass das gleiche Geld öfter verwendet wird, was den Multiplikatoreffekt verstärkt und dazu beiträgt, das Bruttoinlandsprodukt (BIP) zu erhöhen.

    Auf der anderen Seite kann eine niedrige Geldumlaufgeschwindigkeit auf wirtschaftliche Probleme hinweisen. Wenn das Geld langsam zirkuliert und die Transaktionen abnehmen, kann dies ein Zeichen für eine wirtschaftliche Stagnation oder eine geringere Nachfrage nach Gütern und Dienstleistungen sein. Dies kann zu deflationären Tendenzen führen und die wirtschaftliche Aktivität beeinträchtigen.

    Eine abnehmende Geldumlaufgeschwindigkeit bei steigender Geldmenge kann eine Herausforderung für Zentralbanken darstellen, da dies darauf hindeuten könnte, dass geldpolitische Maßnahmen weniger effektiv sind. In einer solchen Situation könnten Zentralbanken zusätzliche Maßnahmen erwägen, um die Geldumlaufgeschwindigkeit zu erhöhen und die wirtschaftliche Aktivität anzukurbeln.

    Ein Rückgang der Geldumlaufgeschwindigkeit könnte auf einen Vertrauensverlust in das Finanzsystem oder in die allgemeine Wirtschaftslage hinweisen, was dazu führen kann, dass die Menschen ihr Geld horten oder weniger konsumieren.

    Fazit: Die Effektivität der geldpolitischen Maßnahmen der Zentralbanken stößt an Ihren Grenzen und weist auf strukturelle Probleme im vorhandenen Finanzsystem hin.

    2.5. Der Digitalisierungstrend

    Die Entwicklung des Geldes geht Hand in Hand mit dem Fortschritt der Technologie. Die rasante Entwicklung in Bereichen wie Computertechnologie, Internet, Smartphones, drahtloser Kommunikation und künstlicher Intelligenz hat diese Beziehung zunehmend komplexer gemacht. Diese technologischen Fortschritte haben dazu beigetragen, dass Geld in modernen Gesellschaften größtenteils in digitaler Form existiert und durch komplexe Finanzsysteme und digitale Transaktionen unterstützt wird. Physisches Bargeld wird zunehmend durch digitale Varianten wie Debit- und Kreditkarten, elektronische Geldbörsen oder Apps sowie digitale Einlagen bei Geschäftsbanken ersetzt.

    Seit 2020 wurde vielen von uns bewusst, dass wir in einer Zeit des Wandels leben, die umfassende Veränderungen mit sich bringt, die die gesamte Gesellschaft betreffen. Die fortschreitende Digitalisierung im industriellen, öffentlichen und privaten Sektor hat die Akzeptanz digitaler Währungen weiter erhöht. Die Digitalisierung verstärkt auch die Konzentration von Macht und Daten in den Händen weniger großer Finanzinstitute oder Technologieunternehmen. Dies erhöht die Risiken im Zusammenhang mit Monopolstellung und Datenschutz.

    Parallel dazu könnte der Einsatz von algorithmischen Handelsstrategien und hochfrequentem Handel an den Finanzmärkten zu unvorhersehbaren Preisschwankungen und volatileren Märkten führen, was das Risiko von Finanzkrisen erhöht. Die Digitalisierung hat die Komplexität und Undurchsichtigkeit des Finanzsystems verstärkt, insbesondere im Bereich der Derivate und strukturierten Finanzprodukte. Diese Komplexität könnte es schwieriger machen, Finanzkrisen zu erkennen und zu managen.

    Derivate sind Verträge, die ihren Wert aus dem Preis anderer Dinge ableiten. Es gibt verschiedene Arten von Derivaten, aber zwei der häufigsten sind Optionen und Futures. Stellen Sie sich vor, Sie gehen auf den Markt und kaufen einen Apfel. Sie wissen, dass der Preis für einen Apfel 1 Euro beträgt. Jetzt stellen Sie sich vor, Sie könnten einen Vertrag abschließen, der Ihnen das Recht gibt, diesen Apfel in einer Woche für denselben Preis zu kaufen, unabhängig davon, wie sich der Preis in der Zwischenzeit ändert. Das ist eine Option. Ein Future wäre eine Bestellung eines Apfels zu einem festen Preis, der aber erst in einer Woche geliefert wird. In beiden Fällen versuchen die Leute, sich gegen Preisänderungen abzusichern oder von ihnen zu profitieren, ohne den Apfel sofort zu kaufen.

    Nun stellen Sie sich vor, Sie sind in einem Süßwaren-Laden und möchten eine Vielzahl von Süßigkeiten kaufen, aber Sie möchten nicht nur eine Sorte. Also bitten Sie den Ladenbesitzer, Ihnen eine Tüte zusammenzustellen, in der verschiedene Süßigkeiten gemischt sind. Strukturierte Finanzprodukte sind ähnlich. Banken und Finanzinstitute packen verschiedene Arten von Geldanlagen wie Kredite, Hypotheken oder Schulden zusammen und verkaufen sie dann als ein Paket an Investoren. Diese Pakete haben verschiedene Teile, die unterschiedliche Risiken und Renditen haben. Manche Teile sind sicherer, andere riskanter. Die Idee ist, dass Investoren auswählen können, in welche Teile sie investieren möchten, je nachdem, wie viel Risiko sie eingehen möchten. Diese Pakete können sehr kompliziert sein, und manchmal verstehen selbst Experten nicht genau, was drin ist. Das kann zu Problemen führen, wenn die Dinge nicht so laufen, wie sie sollten.

    Fazit: Der Trend zur Digitalisierung verschärft die strukturellen Schwachstellen des Fiat-Finanzsystems und stellt Regulierungsbehörden vor neue komplexe Herausforderungen, um die langfristige Stabilität des Finanzsystems unter diesen Bedingungen sicherzustellen. Damit stellt sich die Frage, wie das bestehende Fiat-Finanzsystem weiter reformiert werden soll.

    Die technologische Entwicklung hat parallel dazu geführt, dass eine neue Art von Währung, die Kryptowährung, entstanden ist. Kryptowährungen sind digitale oder virtuelle Währungen, die auf kryptographischen Techniken basieren und als Mittel zum Austausch von Werten dienen. Anders als traditionelle Währungen werden Kryptowährungen nicht von Regierungen oder Zentralbanken kontrolliert. Stattdessen werden sie über ein dezentrales Computernetzwerk verwaltet. Sie nutzen starke Verschlüsselungstechniken und komplexe, algorithmusbasierte Prozesse, um Transaktionen zu sichern, die Unabhängigkeit von zentralen Behörden zu gewährleisten und die Erzeugung neuer Einheiten zu regulieren. Bekannte Beispiele für Kryptowährungen sind Bitcoin, Ether und Tether.

    Befürworter von Kryptowährungen sehen Bitcoin als Wegbereiter für die Trennung von Staat und Geldsystem und betrachten diesen Schritt als eine der bedeutendsten Revolutionen aller Zeiten. Tatsächlich hat Bitcoin seit seiner Einführung im Jahr 2009 den Weg für die Entwicklung zahlreicher weiterer Kryptowährungen und Blockchain-Projekte geebnet.

    Fazit: Diese neuartigen Strukturen, auf denen Kryptowährungen basieren, stellen eine weitere ernsthafte Herausforderung für das traditionelle Fiatgeldsystem dar.

    Angesichts dieser Herausforderungen erscheinen die Aussagen von Christine Lagarde, der Präsidentin der EZB (Europäische Zentralbank), und Fabio Panetta, Mitglied des EZB-Direktoriums und Vorsitzender der hochrangigen Task Force für einen digitalen Euro, eher „harmlos“.

    „Wir müssen unsere Währung fit für die Zukunft machen. Wir stellen uns einen digitalen Euro als eine digitale Form von Bargeld vor, die für alle digitalen Zahlungen kostenlos verwendet werden kann und die höchsten Datenschutzstandards erfüllt. Er würde neben dem physischen Bargeld existieren, das immer verfügbar sein wird und niemanden zurücklässt.“ [Christine Lagarde]

    „Da die Menschen zunehmend digital bezahlen, sollten wir bereit sein, neben dem Bargeld auch einen digitalen Euro auszugeben. Ein digitaler Euro würde die Effizienz des europäischen Zahlungsverkehrs erhöhen und zur strategischen Autonomie Europas beitragen.“ [Fabio Panetta]

    Derzeit ist es so, dass Nichtbanken wie Privatpersonen und Unternehmen nur über Bargeld Zugang zu Zentralbankgeld haben. Alle bargeldlosen Transaktionen werden ausschließlich über das Buchgeld der Geschäftsbanken abgewickelt. Mit der Einführung des digitalen Euros werden jedoch auch bargeldlose Transaktionen für die breite Öffentlichkeit direkt mit Zentralbankgeld möglich sein. Dadurch wird Zentralbankgeld zusätzlich zum Buchgeld der Geschäftsbanken in den gesamten Wirtschaftskreislauf integriert. Dies legt nahe, dass die Einführung des digitalen Euros als Zahlungsmittel für Nichtbanken mit einer tiefgreifenden strukturellen Veränderung des aktuellen Fiat-Geldsystems einhergeht.

    Von dieser Perspektive aus betrachtet, sind die kontroversen Diskussionen über die Einführung und Ausgestaltung des digitalen Euros als CBDC (Central Bank Digital Currency – Zentralbank-Digitalwährung) angesichts ihrer gesellschaftlichen Relevanz ebenfalls verständlich.

    Aus der Sicht des Durchschnittsbürgers drängt sich die Frage auf: Werden die digitalen Währungen der Zentralbanken unser Leben erleichtern und sicherer machen, oder handelt es sich um ein riskantes Experiment?

    Bevor wir uns tiefer in die Diskussion begeben, ist es wichtig zu beachten, dass sowohl CBDC als auch Kryptowährungen Teil der digitalen Währungsrevolution sind. Einige wichtige technologische Elemente, die bei Kryptowährungen verwendet werden, können auch bei CBDC eingesetzt werden. Diese grundlegenden Elemente beeinflussen direkt die Eigenschaften und die praktische Anwendung von CBDC.

    Um ein besseres Verständnis für CBDC zu erhalten, werden wir im nächsten Kapitel einige Schlüsselelemente der bekanntesten Kryptowährungen genauer betrachten.

    3. Kryptowährungen – Alle Wege führen nach Rom

    „Banken müssen vertrauenswürdig sein, um unser Geld zu halten und es elektronisch zu übertragen, aber sie verleihen es in Wellen von Kreditblasen mit kaum einem Bruchteil in Reserve. Wir müssen ihnen in Bezug auf unsere Privatsphäre vertrauen, darauf vertrauen, dass sie Identitätsdieben nicht erlauben, unsere Konten zu leeren. Ihre massiven Betriebskosten machen Mikrozahlungen unmöglich.“
    Satoshi Nakamoto, Post im P2P-Foundation-Forum

    Die Finanzkrise von 2007-2008 spielte eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Kryptowährungen wie Bitcoin. Sie führte zu einem Vertrauensverlust in traditionelle Finanzinstitutionen und das bestehende Fiat-Geldsystem. Viele Menschen waren enttäuscht von der Reaktion der Banken und Regierungen auf die Krise und suchten nach alternativen Möglichkeiten, ihr Geld zu verwahren und Transaktionen durchzuführen, die frei von staatlicher Kontrolle und Einmischung sind.

    Bitcoin wurde kurz nach Ausbruch der Finanzkrise im Jahr 2008 von einer anonymen Person oder Gruppe mit dem Pseudonym Satoshi Nakamoto ins Leben gerufen. Das Whitepaper von Bitcoin, das im selben Jahr veröffentlicht wurde, präsentierte eine Idee für eine dezentrale digitale Währung, die ohne eine zentrale Behörde oder Intermediäre funktioniert. Dieses Konzept kam genau zur richtigen Zeit, als das Vertrauen in das traditionelle Finanzsystem erschüttert war. Die Finanzkrise von 2007-2008 diente daher als Katalysator für das Aufkommen von Kryptowährungen, da sie das Bewusstsein für die Schwächen des bestehenden Finanzsystems schärfte und den Bedarf an alternativen Wegen zur Wertaufbewahrung und Transaktion aufzeigte.

    Kryptowährungen haben das Potenzial, das traditionelle Geldsystem zu beeinflussen und zu transformieren. Um zu verstehen, warum dies der Fall ist, werden zunächst einige grundlegende Begriffe in diesem Kontext erklärt, ohne dabei in technische Details abzuschweifen.

    3.1. Distributed Ledger Technologie (DLT)

    Ein Ledger ist ein Begriff aus der Buchhaltung und Finanzwelt, der im Allgemeinen eine Aufzeichnung von finanziellen Transaktionen in Form eines Buches oder einer Datenbank bezeichnet. Er dient dazu, den aktuellen Stand von Vermögenswerten, Verbindlichkeiten und Kapital eines Unternehmens oder einer Organisation festzuhalten. Ein Ledger kann entweder manuell oder elektronisch geführt werden und beinhaltet typischerweise Einträge zu Einnahmen, Ausgaben, Überweisungen und anderen finanziellen Transaktionen.

    Abb. 15: Ledger – früher und heute

    Ein traditioneller Ledger ist üblicherweise zentralisiert, wodurch eine zentrale Autorität die Kontrolle über die Daten innehat und auch den Zugriff darauf zentral steuert. Diese Zentralisierung macht traditionelle Ledger anfälliger für Betrug oder Datenmanipulation, da sie von einer einzigen Stelle kontrolliert werden.

    Abb. 16: Zentralisierter Ledger

    Ein Distributed Ledger ist eine dezentrale Datenbank, die Transaktionsdaten über mehrere Standorte hinweg speichert und synchronisiert. Im Gegensatz zum zentralisierten Ledger, der von einer einzigen zentralen Stelle verwaltet wird, befinden sich die Daten in einem Distributed Ledger auf vielen verteilten Knoten oder Computern, die über ein Netzwerk miteinander verbunden sind. Diese dezentrale Natur gewährleistet eine höhere Sicherheit, da die Daten auf mehreren Knoten gespeichert sind und Änderungen kryptografisch gesichert werden.

    Abb. 17: Verteilter Ledger

    Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Hauptunterschied zwischen einem traditionellen Ledger und einem Distributed Ledger in ihrer zentralen oder dezentralen Struktur liegt, was Auswirkungen auf die Kontrolle, Sicherheit und Effizienz der Datenverfolgung hat.

    Ein zentrales Ledger benötigt eine Autorität (Bank, Cloud usw.), während die verteilte Ledger Technologie einen P2P-Austausch über Computer ermöglicht. (Peer-to-Peer (P2P) ist ein Konzept, das eine direkte Interaktion oder Kommunikation zwischen den Teilnehmern eines Netzwerks ohne die Notwendigkeit einer zentralen Vermittlungsstelle beschreibt.) [iMi Blockchain]

    3.2. Blockchain-Technologie

    Die Distributed Ledger Technologie (DLT) und die Blockchain-Technologie sind eng miteinander verbunden, da die Blockchain eine spezifische Implementierung von DLT darstellt. DLT kann in der Praxis auf verschiedene Arten umgesetzt werden, wobei die Blockchain-Technologie die bekannteste und weit verbreitetste Form ist. Oft werden DLT und Blockchain-Technologie gleichgesetzt, aber die Blockchain ist lediglich eine spezifische Variante von DLT.

    Die Blockchain kann man sich wie ein langes, öffentliches Notizbuch (Ledger) vorstellen. Jede Seite dieses Notizbuchs repräsentiert einen Block. In diesem Notizbuch werden alle Transaktionen aufgeschrieben, die jemals getätigt wurden.

    Jeder Block enthält eine Liste von Transaktionen, wie zum Beispiel, dass jemand Geld an jemand anderen sendet. Sobald eine Seite des Notizbuchs voll ist, wird eine neue Seite hinzugefügt, und diese ist mit der vorherigen Seite verknüpft. Diese Verknüpfung ist wie eine Kette, die alle Seiten zusammenhält – daher der Name „Blockchain“.

    Abb. 18: Schematische Darstellung einer Blockchain

    Um das grundlegende Funktionsprinzip der Blockchain-Technologie zu verstehen, ist es wichtig zu erfassen, wie ein System aufgebaut wird, das allen Teilnehmern die Erstellung, Überprüfung und Aktualisierung von Daten ermöglicht.

    Peer-to-Peer (P2P) Netzwerk

    Für den Betrieb einer Blockchain wird ein Peer-to-Peer (P2P) Netzwerk benötigt. Dabei handelt es sich um ein Netzwerk von Computern, die als Knoten bezeichnet werden und die alle gleichberechtigt sind. Jeder kann diesem Netzwerk beitreten (siehe Abb. 17). Das P2P-Netzwerk ermöglicht den Knoten, miteinander zu kommunizieren, Informationen auszutauschen und Aufgaben zu erfüllen, ohne dass ein zentraler Server erforderlich ist. Diese P2P-Netzwerke können über die weltweite Internetinfrastruktur aufgebaut werden, bei der Computer direkt miteinander verbunden sind.

    Kryptographie

    Da jeder dem Netzwerk beitreten kann, einschließlich potenziell schädlicher Akteure, ist es entscheidend, dass die Kommunikation zwischen den Knoten sicher und unverändert erfolgt. Hierbei spielt Kryptographie eine zentrale Rolle. Sie ermöglicht die sichere Kommunikation in einer Umgebung, in der potenzielle Gefahren lauern. Durch Verschlüsselung werden Informationen so umgewandelt, dass sie nur von Teilnehmern gelesen werden können, die über die entsprechenden „Schlüssel“ zur Entschlüsselung verfügen. Auf diese Weise können Nachrichten sicher übertragen werden, ohne dass Unbefugte sie abfangen oder verändern können. Dies ermöglicht es weiterhin, die Authentizität der eigenen Nachrichten nachzuweisen, selbst wenn sich potenziell bösartige Akteure im Netzwerk befinden.

    In der Abbildung 18 repräsentiert der Eintrag im Feld „Hash“ eine kryptografische Prüfsumme oder ein Fingerabdruck der Daten im Block, der Eintrag im Feld „Prev“ (previous Hash) ist der Hash-Wert des vorherigen Blocks in der Blockchain. Durch die Verwendung von kryptografischen Hash-Funktionen wird sichergestellt, dass die Integrität der Blockchain gewahrt bleibt und dass Änderungen an vergangenen Blöcken leicht erkannt werden können.

    Konsensalgorithmus

    Das dritte Element ist der Konsensalgorithmus. Dieser ist wie eine Regel oder ein Verfahren, das sicherstellt, dass alle Teilnehmer in einem System sich darüber einig sind, welche Daten gültig sind und wie sie geändert werden können. In einem dezentralen Netzwerk wie der Blockchain kommunizieren viele verschiedene Knoten oder Computer miteinander. Der Konsensalgorithmus hilft diesen Computern, sich auf eine gemeinsame Sichtweise zu einigen, auch wenn sie unterschiedliche Informationen haben könnten. Dadurch können sie sicherstellen, dass die empfangenen Daten korrekt sind und alle im Netzwerk sich darüber einig sind, was mit diesen Daten geschehen soll.

    Es gibt verschiedene Konsensalgorithmen, die in Blockchain-Netzwerken verwendet werden, damit sich alle Teilnehmer darüber einig sind, welche Transaktionen gültig sind und welche nicht. Jeder dieser Konsensalgorithmen hat seine eigenen Vor- und Nachteile und wird je nach den Anforderungen und Zielen des Blockchain-Netzwerks ausgewählt. Der Proof-of-Work (POW) Algorithmus erlangte besondere Berühmtheit durch die erste Kryptowährung Bitcoin.

    Proof-of-Work (PoW) Algorithmus

    Was passiert bei dem PoW-Algorithmus? Neu hinzukommende Transaktionen werden in einem neuen Block erfasst. Bevor dieser Block der Blockchain hinzugefügt werden kann, muss sein Inhalt validiert und bestätigt werden. Sobald der Block voll ist, wird der PoW-Algorithmus aktiv.

    Bei diesem Algorithmus muss ein Computer im Netzwerk ein Rätsel (komplexe mathematische Aufgabe) erfolgreich lösen, um den Inhalt des neuen Blockes zu validieren. Die Lösung dieser Aufgabe nennt man Proof-of-Work. Sobald ein Computer im Netzwerk das Rätsel erfolgreich gelöst und einen neuen Block für den Anschluss an die Blockchain vorgeschlagen hat, wird dieser Block von den anderen Computern im Netzwerk überprüft und validiert. Jeder Computer im Netzwerk wendet die Regeln des Bitcoin-Protokolls an, um sicherzustellen, dass die Transaktionen gültig sind und der neue Block den Konsensregeln entspricht. Zu diesen Regeln gehört die Überprüfung von Faktoren wie der Gültigkeit von Signaturen, der Korrektheit der Transaktionsdaten und der Richtigkeit des Proof-of-Work.

    Wenn die anderen Computer im Netzwerk feststellen, dass der neue Block gültig ist, wird er zur Blockchain hinzugefügt, und die Transaktionen darin werden bestätigt. Wenn der Block nicht den Konsensregeln entspricht oder die Transaktionen ungültig sind, wird der Block von den anderen Computern im Netzwerk abgelehnt, und der Vorgang beginnt von neuem, um einen anderen gültigen Block zu finden.

    Im Proof-of-Work (PoW) Algorithmus, wie er bei Bitcoin verwendet wird, konkurrieren mehrere Computer im Netzwerk miteinander, um diese komplexe mathematische Aufgabe zu lösen. Die Lösung der Aufgabe erfordert viel Rechenleistung und Energie.

    In der Abbildung 18 repräsentiert der Eintrag im Feld „Nonce“ (eine Abkürzung für „Number used once“) eine zufällige Zahl, die zusammen mit anderen Daten in einem Block verarbeitet wird, um einen Hash zu erzeugen, der bestimmte Kriterien erfüllen muss, um als gültiger Block akzeptiert zu werden. Dieser Wert ist direkt mit dem PoW-Algorithmus verbunden.

    Belohnung und Bestrafung

    Für den ordnungsgemäßen Betrieb einer dezentralisierten Blockchain tritt ein weiteres Konzept aus der Spieltheorie in den Vordergrund: „Belohnung und Bestrafung“. In der Spieltheorie bezieht sich der Begriff „Belohnung und Bestrafung“ auf die Anreize, die den Spielern gegeben werden, um bestimmte Verhaltensweisen zu fördern oder zu unterdrücken. Belohnungen können positive Anreize sein, die Spieler erhalten, wenn sie bestimmte Aktionen ausführen oder bestimmte Ziele erreichen. Bestrafungen sind negative Anreize, die Spieler erleiden, wenn sie unerwünschte Handlungen ausführen oder bestimmte Regeln verletzen. Diese Belohnungen und Bestrafungen werden verwendet, um das Verhalten der Spieler zu beeinflussen und das Erreichen von Zielen im Spiel zu fördern.

    Dadurch werden Teilnehmer belohnt, die dabei helfen, die Aufzeichnungen in der Blockchain pflegen und neue Blöcke zur Blockchain hinzufügen. Im Fall von Bitcoin bedeutet diese Belohnung, dass ein Token beziehungsweise eine virtuelle Münze vergeben wird, jedes Mal, wenn ein Konsens erreicht wird und ein neuer Block zur Kette hinzugefügt wird. Auf der anderen Seite verlieren böswillige Akteure, die versuchen, das System zu umgehen oder zu manipulieren, die Ausgaben für Rechenleistung während des Proof-of-Work-Prozesses, oder sie riskieren, ihre Münzen zu verlieren.

    Abschließend ist es wichtig zu erkennen, dass das Bestrafungs- und Belohnungssystem einen Einfluss auf das psychologische Verhalten hat. Es wandelt die Regeln des Systems von etwas, das man befolgen muss, in etwas, dem man folgen möchte, weil es im eigenen Interesse liegt, dies zu tun.

    Kritische P2P-Netzwerk-Größe

    In der Realität gilt eine Blockchain als dezentralisiert, wenn sie genug unabhängige Validatoren oder Knoten hat, die die Transaktionen validieren. Diese Knoten sind über verschiedene geografische Standorte verteilt, und keine einzelne Partei hat die Kontrolle über das Netzwerk.

    Eine Zusammenfassung der wesentlichen Merkmale der Blockchain-Technologie findet man in diesem Video.

    Eine ausführlichere visuelle Demonstration der Funktionalität einer Blockchain am Beispiel von Finanztransaktionen findet man in hier und hier. 

    Der entscheidende strategische Nutzen beim Einsatz der Blockchain-Technologie zur Problemlösung liegt in ihrer Dezentralisierung. Die Auswahl der Blockchain-Technologie als Lösungsmethode ist nur dann gerechtfertigt, wenn das zugrunde liegende Problem tatsächlich auf Zentralisierung zurückzuführen ist. Wenn eine Dezentralisierung nicht erforderlich oder erwünscht ist, ist es wahrscheinlich, dass eine zentralisierte Lösung besser geeignet ist und die Blockchain-Technologie nicht notwendig ist.

    Die zentrale Frage lautet: Ist unsere Welt derzeit bereit für die umfassende Implementierung einer komplexen Blockchain-Technologie, die eine Dezentralisierung mit sich bringt?

    3.3. Das Token – The Swiss Army Knife

    Beim Erklären des Belohnungsmechanismus als wesentlichen Bestandteil einer Blockchain im vorigen Kapitel wurde der Begriff „Token“ verwendet. Hier ist es sinnvoll, diesen Begriff in einfacher Sprache zu erklären.

    Ein Token kann in verschiedenen Formen auftreten.

    Ganz allgemein im IT-Bereich stellt ein Token eine Art digitaler Schlüssel oder eine Kennung dar. Es wird verwendet, um die Identität eines Benutzers oder einer Entität zu bestätigen und Zugriff auf ein System oder eine Ressource zu erhalten. Stellen Sie ihn sich wie einen Ausweis vor, den Sie vorzeigen, um in ein Gebäude zu gelangen. Ein Token kann zum Beispiel ein Passwort, ein biometrisches Merkmal (wie ein Fingerabdruck) oder ein spezieller Code sein, den Sie eingeben oder vorzeigen, um sich zu authentifizieren. Es wird verwendet, um Sicherheit und Zugriffssteuerung in IT-Systemen zu gewährleisten.

    In der Blockchain-Welt ist ein Token eine digitale Einheit mit vielfältigen Funktionen. Es kann als Kryptowährung dienen, digitale Darstellungen von Fiat-Währungen auf Blockchain-Plattformen sein und für Transaktionen verwendet werden. Zudem können Tokens digitale Repräsentationen von realen Objekten wie Immobilien oder Kunstwerken sein.

    Ein Token kann nicht nur ein digitales Objekt repräsentieren, sondern auch seine Eigenschaften. Dies hängt von der Art des Tokens und seiner Implementierung auf der Blockchain ab. Betrachten wir zum Beispiel ein tokenisiertes Kunstwerk. Ein solcher Token könnte nicht nur das Kunstwerk selbst darstellen, sondern auch Informationen über den Künstler, das Erscheinungsjahr, die Größe, die Besitzerhistorie und sogar Lizenzrechte enthalten.

    Zusätzlich kann ein Token bestimmte Funktionen innerhalb eines Blockchain-Netzwerks repräsentieren, wie Nutzungsrechte, Zugriffsrechte, Stimmrechte, Anspruchsrechte usw. Je nach Typ und Verwendungszweck können Tokens unterschiedliche Merkmale und Funktionalitäten aufweisen.

    Abb. 19: Bei der Tokenisierung wird die reale Welt oder reale Vermögenswerte in die digitale Welt übertragen, indem sie in digitale Tokens umgewandelt werden, die auf einer Blockchain oder einem anderen digitalen Ledger gespeichert werden können. Diese Tokens fungieren dann als digitale Repräsentationen der realen Vermögenswerte und können online gehandelt, übertragen und verwaltet werden.

    Tokens können als eine Art Baukasten betrachtet werden, mit dem digitale Objekte, ihre Eigenschaften und verschiedene Funktionen kombiniert werden können. Diese werden dann als ein Element in einem vordefinierten Algorithmus auf einer digitalen Plattform wie einer Blockchain verwendet. Dieser Algorithmus bestimmt, wie die Tokens erstellt, übertragen, gehandelt und verwendet werden können. Diese Logik legt fest, wie die Tokens funktionieren und welche Regeln sie einhalten müssen.

    Ein Token könnte metaphorisch als ein universelles Werkzeug betrachtet werden, das in einer Vielzahl von Situationen verwendet werden kann. Ähnlich wie ein Schweizer Taschenmesser vielseitig einsetzbar ist und verschiedene Funktionen bietet, kann ein Token in einem Blockchain-Netzwerk für verschiedene Zwecke verwendet werden, von der Werthaltung bis zur Ausführung vorprogrammierter Abläufe.

    Weitere Informationen zum Thema Token und seiner Rolle im zukünftigen Finanzsystem werden in den folgenden Kapiteln bereitgestellt.

    3.4. Zentralisiertes vs. Dezentralisiertes Ledger-System
    Abb. 20: Zentralisiertes vs. Dezentralisiertes Ledger-System

    Zentralisiertes Ledger-System

    Das bestehende Finanzsystem beruht auf zentralisierten Ledger-Systemen, bei denen Transaktionen und Kontostände von einer zentralen Behörde oder Institution verwaltet und überwacht werden. Banken, Zentralbanken und andere Finanzinstitute führen diese zentralisierten Ledger, in denen alle Transaktionen und Kontobewegungen festgehalten werden.

    In kritischen Situationen, in denen das Vertrauen in eine zentrale Behörde oder Institution in Frage gestellt wird, rücken die folgenden Aspekte eines zentralisierten Ledger-Systems besonders stark ins Blickfeld:

    Single Point of Failure: Da ein zentralisiertes Finanzsystem von einer einzigen Autorität oder Institution kontrolliert wird, birgt es das Risiko eines „Single Point of Failure“. Wenn diese Autorität versagt oder kompromittiert wird, kann dies zu erheblichen Störungen oder Ausfällen im gesamten System führen.

    Mangel an Transparenz: Da zentralisierte Hauptbücher von einer einzigen Institution geführt werden, gestaltet sich die Überprüfung der Richtigkeit und Vollständigkeit der Daten für Außenstehende oft schwierig. Insbesondere in Branchen, die Wert auf Transparenz und Rechenschaftspflicht legen, kann dies ein Problem darstellen.

    Politische oder wirtschaftliche Zwänge: Politische und wirtschaftliche Einflüsse können die Vertrauenswürdigkeit und Genauigkeit zentralisierter Hauptbücher beeinträchtigen. Zum Beispiel könnte eine Regierungsbehörde Daten in einem zentralisierten Hauptbuch manipulieren, um ihre eigenen Ziele zu erreichen.

    Begrenzte Zugänglichkeit: Da zentralisierte Hauptbücher oft von einer einzigen Partei verwaltet werden, können der Zugriff auf Daten sowie deren Nutzung für externe Parteien eingeschränkt oder verweigert werden.

    Verteiltes Ledger-System

    Kryptowährungen basieren auf einem verteilten Ledger-System, was im Vergleich zu zentralisierten Ledger-Systemen mehrere Vorteile bietet:

    Dezentralisierung: Ein dezentrales System funktioniert ohne zentrale Autorität. Slogans wie „Bitcoin ist das Geld des Volkes“ und „Sei deine eigene Bank“ vermitteln die Idee der finanziellen Unabhängigkeit, Autonomie, Selbstbestimmung und Eigenverantwortung in finanziellen Angelegenheiten.

    Sicherheit und Vertrauen: Kryptowährungen wie Bitcoin verwenden Blockchain-Technologie, die Transaktionen transparent und fälschungssicher macht. Dies trägt dazu bei, das Vertrauen der Nutzer in das System zu stärken, insbesondere nach Finanzkrisen und Betrugsskandalen.

    Anonymität und Datenschutz: Ein weiterer Grund für das Entstehen von Kryptowährungen ist der Wunsch nach Anonymität und Datenschutz bei Finanztransaktionen. Kryptowährungen bieten in der Regel ein gewisses Maß an Anonymität, da Transaktionen pseudonym sind und nicht mit persönlichen Daten verbunden werden müssen.

    Zugänglichkeit und Inklusion: Kryptowährungen sind weltweit nutzbar und ermöglichen den Zugang zu Finanzdienstleistungen für Menschen, die möglicherweise keinen Zugang zum traditionellen Bankensystem haben, wie beispielsweise Menschen in Entwicklungsländern oder Menschen ohne Bankkonto.

    Die Welt der Kryptowährungen ist mittlerweile umfangreich und vielfältig geworden, mit fast 20.000 verschiedenen Arten von Krypto-Werten im Umlauf. Der Beitrag „Top 10 Kryptowährungen nach Marktkapitalisierung“ bietet eine Einteilung der Kryptowährungen basierend auf ihrer Marktkapitalisierung. In Börsenterminologie bezeichnet die Marktkapitalisierung den aktuellen Börsenwert einer Währung oder eines Unternehmens und wird durch die Multiplikation der Anzahl der Einheiten mit dem Kurs berechnet.

    Eine nähere Untersuchung der führenden drei Kryptowährungen in dieser Rangliste liefert aufschlussreiche Einblicke in wichtige Zusammenhänge, Merkmale und Funktionsweisen, die auch bei der Gestaltung und Funktionsweise digitaler Zentralbankwährungen eine Rolle spielen.

    3.5. Bitcoin (BTC) – Get Rich or Die Tryin’

    Bitcoin wurde konzipiert, um als digitales Zahlungs- und Wertaufbewahrungsmittel zu dienen. Es basiert auf einem transparenten Hauptbuch (Ledger) ohne zentrale Autorität und stellt somit einen typischen Anwendungsfall eines dezentralisierten Ledger-Systems auf Basis der Blockchain-Technologie dar (siehe Kapitel 3.1. und 3.2.). Die daraus resultierenden systemischen Vorteile wurden im Kapitel 3.4. erörtert.

    Aufgrund seiner dezentralen Architektur gibt es keinen einzelnen Computer, der für die Verwaltung des Ledgers verantwortlich ist (siehe Abb. 21). Stattdessen besitzt jeder Computer, der Bestandteil des Blockchain-Systems ist, eine Kopie des Ledgers. Bitcoin verwendet ein transparentes Hauptbuch, das es jedem Nutzer (User) ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt Einblick in alle Transaktionen und Salden zu erhalten. Allerdings sind die Besitzer der Salden und die Absender und Empfänger von Transaktionen nicht direkt erkennbar. Dadurch ist Bitcoin pseudonym, da zwar alle Informationen offen, transparent und nachverfolgbar sind, aber die Identitäten der beteiligten Parteien nicht vollständig offenbart werden.

    Bitcoin ist rein digital und existiert nicht in physischer Form wie traditionelle Münzen oder Banknoten. Stattdessen repräsentiert der Besitz von Bitcoin das Recht, auf bestimmte Datensätze im Hauptbuch, der sogenannten Blockchain, zuzugreifen und Bitcoin zwischen verschiedenen Adressen zu senden. Da Bitcoin nicht von einer Regierung, Behörde oder Bank kontrolliert wird, behält der Besitzer die volle Kontrolle über sein Bitcoin-Geld. Nur der rechtmäßige Eigentümer hat Zugriff auf sein Bitcoin-Guthaben in seinem Digital-Wallet und kann darüber verfügen.

    Digital Wallets sind elektronische Geldbörsen, die es Nutzern ermöglichen, digitale Währungen wie Kryptowährungen sicher zu speichern, zu verwalten und Transaktionen damit durchzuführen. Sie funktionieren ähnlich wie traditionelle Geldbörsen, jedoch für digitale Währungen, und bieten Funktionen wie das Senden und Empfangen von Coins, das Anzeigen des Kontostands und die Verwaltung von Transaktionshistorien.

    Durch die direkten Zahlungen zwischen den Nutzern ohne Zwischenhändler wie Banken macht Bitcoin insbesondere internationale Transaktionen wesentlich einfacher. Dadurch entfallen Bankengebühren und der Aufwand für den Umgang mit Wechselkursen.

    Abb. 21: Schematische Darstellung einer Bitcoin-Blockchain

    Bitcoin ist ähnlich wie Gold darauf ausgelegt, knapp zu sein, da es eine maximale Obergrenze von 21 Millionen Bitcoins gibt, die jemals erstellt werden können. Aus diesem Grund betrachten einige Anleger Bitcoin als langfristige Investition und als Absicherung gegen Inflation.

    Eine knappe und dennoch gründliche Erklärung dessen, was Bitcoin ist und wie man ihn handhaben kann, findet sich im Video „Bitcoins Erklärung: In nur 12 Min. Bitcoin verstehen!“ von Finanzfluss.

    Halten wir noch einmal die wesentlichen Vor- und Nachteile von Bitcoin fest:

    Abb. 22: Wesentliche Vor- und Nachteile von Bitcoin [Finanzfluss]

    In den meisten Ländern wird Bitcoin, wie auch andere Kryptowährungen, nicht als gesetzliches Zahlungsmittel betrachtet. Stattdessen wird Bitcoin oft als digitaler Vermögenswert oder alternative Zahlungsmethode angesehen. Dies bedeutet, dass die Verwendung von Bitcoin für Transaktionen freiwillig erfolgt und nicht gesetzlich vorgeschrieben ist. Einige Länder haben Kryptowährungen jedoch als legalen Zahlungsdienst oder Finanzinstrument anerkannt, jedoch nicht als gesetzliches Zahlungsmittel im herkömmlichen Sinne. (El Salvador ist bislang der einzige Staat, in dem Bitcoin als Landeswährung gilt, mit überschaubarem Erfolg. Die Einführung des Bitcoins als gesetzliches Zahlungsmittel hat jedoch die Situation für die Finanzierung und Stabilisierung der öffentlichen Finanzen in diesem Land, in dem große Teile der Bevölkerung unter der Armutsgrenze leben, nicht verbessert.)

    Deshalb ist die Verwendung von Kryptowährungen als Tauschmittel, eine der drei Hauptfunktionen des Geldes, häufig stark eingeschränkt. Dies führt oft dazu, dass Kryptowährungen in eine gesetzlich anerkannte Fiatwährung umgetauscht werden müssen. Dies geschieht normalerweise über eine Kryptowährungsbörse oder eine Online-Handelsplattform. Letztere erfordern oft eine Benutzerverifizierung während des Registrierungsvorgangs, was zumindest teilweise die beworbene Privatsphäre bei der Nutzung von Kryptowährungen beeinträchtigt.

    Als virtuelle Währung repräsentiert Bitcoin keine realen Gegenwerte wie Cashflow, Aktien, Unternehmensanteile oder Goldreserven. Der Wert einer Einheit wird ausschließlich durch Angebot und Nachfrage bestimmt, was zu starken Kursschwankungen führen kann.

    Im Januar 2024 wurden in den USA die ersten sogenannten Bitcoin-Spot-ETFs eingeführt. Diese ETFs (Exchange-Traded Funds) sind Investmentfonds, die an einer Börse gehandelt werden und Bitcoin als zugrunde liegenden Vermögenswert verwenden. Sie schaffen eine Verbindung zwischen Kryptowährungen und der traditionellen Finanzwelt. Bitcoin ETFs bieten institutionellen Anlegern eine legale und regulierte Möglichkeit, an der Kryptowährung teilzunehmen, selbst wenn sie möglicherweise nicht direkt in Bitcoin investieren können. Durch den Kauf eines Bitcoin-Spot-ETFs erwirbt man im Wesentlichen einen Anteil an der Kryptowährung selbst.

    Die Entscheidung von BlackRock, dem weltgrößten Vermögensverwalter, in das Bitcoin-Spot-ETF-Geschäft einzusteigen, hat bereits für Aufsehen gesorgt. BlackRock verwaltet insgesamt ein Vermögen von 9 Billionen US-Dollar. Selbst wenn das Unternehmen nur ein Prozent seiner Vermögenswerte in Bitcoin investieren würde, könnte dies erhebliche Auswirkungen auf den Bitcoin-Kurs haben (Abb. 23).

    Abb. 23: Bitcoin-Euro Wechselkurs (Stand 28.04.2024)

    Die hohe Volatilität, die begrenzte Akzeptanz und einige technische Hürden bei der Handhabung disqualifizieren Bitcoin für weite Teile der Bevölkerung als zuverlässiges Tauschmittel oder Wertaufbewahrungsmittel.

    Das, was 2009 der Öffentlichkeit als „basisdemokratische“ Alternative zum „elitären“ traditionellen Bank- und Finanzsystem präsentiert wurde, hat sich 15 Jahre später im Wesentlichen zu einer Spekulation entwickelt. Spekulation beinhaltet kurzfristige Investitionen, wobei der Zeitraum zwischen An- und Verkauf einer Aktie relativ kurz ist. Ein Spekulant setzt auf kurzfristige Entwicklungen des Börsenkurses und versucht, die Aktienkursentwicklung korrekt vorherzusagen, um entsprechend zu handeln.

    Aufgrund der begrenzten Menge an Bitcoins kann der Kurs und damit auch das Vertrauen in Bitcoin durch große institutionelle Anleger wie BlackRock oder Grayscale, beide Partner des World Economic Forums (WEF), beeinflusst werden. Es ist bemerkenswert, dass BlackRock während der Finanzkrise von 2007-2008 ebenfalls zu den Gewinnern zählte – eine Ironie des Schicksals in der Finanzwelt.

    Unabhängig davon hat Bitcoin maßgeblich dazu beigetragen, digitale Währungen im Bewusstsein der Öffentlichkeit zu verankern und die Wahrnehmung bezüglich der technologischen Entwicklung des Geldsystems sanft zu prägen. Gleichzeitig wurde die DLT-/Blockchain-Technologie im Feld erprobt und als Grundlage für weitere Entwicklungen etabliert. Zudem wurde der praktische Umgang breiter Bevölkerungsschichten mit einer dezentralen digitalen Währung weltweit getestet, ohne dabei das bestehende Finanzsystem wesentlich zu beeinträchtigen.

    Laut dem WEF-Dokument Understanding the macroeconomic impact of cryptocurrency and stablecoin economics „könnten diese digitalen Währungen potenzielle Triebkräfte für finanzielle Stabilität, Gerechtigkeit, Innovation und Marktanreize für ökologische Nachhaltigkeit sein.“

    3.6. Tether (USDT) – Safe Haven (In God We Trust)

    Tether ist eine Kryptowährung, die auf Blockchain-Technologie basiert und als sogenannter Stablecoin (stabile Münze) konzipiert wurde. Ihr Ziel ist es, im Gegensatz zu anderen Kryptowährungen, deren Wert starken Schwankungen unterliegt, einen stabilen Wert zu bieten. Typischerweise ist der Wert von Tether an eine etablierte Fiatwährung wie den US-Dollar gebunden, wobei 1 Tether in der Regel 1 US-Dollar entspricht. Hinter Tether steht das Unternehmen Tether Limited.

    Man versucht, die Vorteile von Kryptowährungen (siehe Abb. 22) mit den Stabilitätsvorteilen einer Fiat-Währung zu verbinden. Ein naheliegender Anwendungsfall wäre der Einsatz als Tauschmittel. Jedoch werden Stablecoins wie Tether in der realen Welt selten für alltägliche Einkäufe akzeptiert, da nur Regierungen eine Währung als gesetzliches Zahlungsmittel erklären können. Heutzutage werden Stablecoins hauptsächlich auf Kryptowährungsbörsen verwendet. Händler nutzen sie, um volatile Kryptowährungen gegen stabile zu tauschen und so das Risiko zu mindern. Zum Beispiel können Investoren, die in den volatilen Bitcoin investiert haben und nicht das Risiko eingehen wollen, dass der Bitcoin-Preis gegenüber dem US-Dollar fällt, ihre Bitcoins (BTC) einfach in US Dollar Tether (USDT) umtauschen und den Dollarwert behalten. Wenn sie später wieder Bitcoins halten möchten, können sie ihre USDT problemlos zurück in BTC umtauschen. Anleger können Gewinne in Tether umwandeln, ohne das Krypto-Ökosystem verlassen zu müssen. Sie können ihre Kryptowährungen in Tether „parken“, um Wertschwankungen abzuwarten oder ihr Krypto-Vermögen ohne Wertverluste zu übertragen.

    Tether übernimmt somit die Funktion eines Safe Assets im virtuellen Krypto-Ökosystem.
    Ein „Safe Asset“ ist ein Vermögenswert, der als sicherer Hafen für Investoren betrachtet wird, besonders in Zeiten wirtschaftlicher Unsicherheit oder Turbulenzen. Solche Vermögenswerte zeichnen sich in der Regel durch Stabilität, geringe Volatilität und hohe Liquidität aus.

    Transaktionen in USDT gelten gleichzeitig als schnell und kostengünstig. Zudem sind grenzüberschreitende Zahlungen in Tether mit dem Wechsel in eine andere Zielwährung problemlos möglich.

    Aufgrund dieser Eigenschaften wird Tether auch als Bindeglied zwischen der virtuellen Kryptowährungswelt und der realen Finanzwelt gepriesen. In dem WEF-Beitrag von 2021 mit dem Titel „Cryptocurrencies are democratizing the financial world. Here’s how” liest man folgendes:

    „Kryptowährungen wie Stablecoins, d. h. Kryptowährungen, die an andere Vermögenswerte wie den US-Dollar gekoppelt sind, können nun eine sicherere und vertrauenswürdigere Möglichkeit darstellen, das Vermögen der Menschen zu schützen.

    Wenn Sie zum Beispiel in Nigeria leben, ist Ihr Nettovermögen seit 2016 um fast 50 % gesunken, da der nigerianische Naira von etwa 200 Naira pro US-Dollar auf fast 400 Naira pro US-Dollar bis Ende 2020 gefallen ist. Wenn diese Vermögenswerte jedoch in einem Stablecoin wie Tether (USDT), einem an den US-Dollar gekoppelten Stablecoin, gehalten worden wären, wären sie vor einer drastischen Abwertung geschützt gewesen.“

    „Kryptowährungen und die Blockchain-Technologie, gepaart mit der weltweit zunehmenden Verbreitung des Mobilfunks und des Internets, mildern die zunehmenden finanziellen Ungleichheiten.

    Und es ist nicht undenkbar, sich vorzustellen, dass die Welt in den kommenden Jahrzehnten ein viel demokratischeres und zugänglicheres Finanzsystem haben wird. Finanzielle Inklusion könnte dank Kryptowährungen erreicht werden.“

    Insbesondere in Entwicklungsländern und Schwellenländern, wo die nationalen Währungen sehr volatil sind und das Bankensystem keine landesweite Abdeckung bietet, gewinnen solche Konzepte zunehmend an Akzeptanz (Abb. 25).

    Abb. 25: Akzeptanz von Kryptowährungen [statista]

    Wie schaffen Stablecoins wie Tether es, ihren Wert stabil zu halten, während andere Kryptowährungen starken Preisschwankungen unterliegen?

    Die Stabilität des Geldes, sei es physisch oder digital, beruht auf dem Vertrauen seiner Nutzer. Wenn der Markt Zweifel an der Werthaltigkeit eines USDT hegt, werden die Leute ihre USDT schnell abstoßen, was zu einem Preisverfall führen kann. Um dieses Vertrauen zu erhalten, hinterlegt beispielsweise das Unternehmen Tether Vermögenswerte als Sicherheit für seine Coins. Diese Sicherheiten dienen als Garantie dafür, dass das Unternehmen sein Versprechen hält und dass seine Coins tatsächlich den festgelegten Wert haben. Im Falle von Tether wird jeder USDT durch US-Dollar-Reserven und andere Vermögenswerte abgesichert. Neben Fiatwährungen können Stablecoins auch durch andere Vermögenswerte abgesichert werden, wie beispielsweise Gold, Erdöl oder andere Kryptowährungen.

    Im Unterschied zu Bitcoin verfügt Tether (USDT) über keine eigene Blockchain. Anstatt eine eigene Blockchain zu verwenden, wird Tether auf verschiedenen bestehenden Blockchain-Plattformen ausgegeben. Wie bereits im Kapitel 3.3. erläutert, ist ein Token im Allgemeinen eine digitale Einheit, die auf einer Blockchain-Plattform erstellt und ausgegeben wird und einen bestimmten Wert oder eine bestimmte Funktion repräsentiert. In Bezug auf Tether ist USDT ein Token, das den Wert eines US-Dollars repräsentiert. Jeder USDT-Token soll also immer den Wert von einem US-Dollar haben. Diese Tokens werden auf verschiedenen Blockchains ausgegeben und können in Wallets gespeichert, übertragen und gehandelt werden, genau wie andere Kryptowährungen und digitale Assets.

    USDT (Tether) kann als eine Form von tokenisiertem Geld betrachtet werden. Tokenisiertes Geld bezieht sich auf die digitale Darstellung traditioneller Fiatwährungen oder anderer Vermögenswerte in Form von Token auf einer Blockchain.

    Die Erzeugung eines USDT-Tokens, erfolgt typischerweise durch einen Einzahlungsprozess bei Tether Limited oder einer ihrer Partnerbanken. Ein Benutzer sendet eine bestimmte Menge an US-Dollar an Tether Limited oder hinterlegt sie auf einem speziellen Konto. Nach dem Eingang der Einzahlung gibt Tether Limited dann die entsprechende Menge an USDT-Token aus, die durch die eingezahlten US-Dollar abgesichert sind.

    Wenn Sie beispielsweise im Besitz eines Multi-Chain-Wallets sind, können Sie Ihre USDT-Tokens dorthin übertragen. Ein Multi-Chain-Wallet unterstützt mehrere Blockchains und ermöglicht es Ihnen, verschiedene Kryptowährungen auf verschiedenen Blockchains in einer einzigen Wallet zu verwalten. Dadurch können Sie Transaktionen in den unterstützten Blockchain-Netzwerken durchführen.

    Abb. 26: Tether (USDT) ist auf verschiedenen Blockchains verfügbar. Ein „Cross-Chain-Transfer“ bezieht sich auf die Übertragung von Kryptowährungen oder digitalen Vermögenswerten von einer Blockchain auf eine andere.

    Durch die Möglichkeit, Tether auf verschiedenen Blockchains zu verwenden, können die Benutzer von den verschiedenen Funktionen der einzelnen Netzwerke profitieren.

    Indem Tether von verschiedenen Blockchains unterstützt wird, erhöht sich auch die Liquidität und Interoperabilität der Währung, da sie zwischen den verschiedenen Blockchain-Plattformen ausgetauscht werden kann. Dies trägt zur weiteren Verbreitung und Akzeptanz von Tether bei und ermöglicht es den Benutzern, die Vorteile einer stabilen digitalen Währung in verschiedenen Kontexten zu nutzen.

    Jedoch gibt es auch Nachteile bei dieser Struktur. Das Unternehmen, das die Sicherheit des Stablecoins gewährleistet, übernimmt die Rolle einer privaten „virtuellen Zentralbank“. Im Falle von USDT ist das Tether Limited. Neben den Risiken der Veruntreuung und der Schwierigkeit, nachzuweisen, dass das Unternehmen über genügend Vermögenswerte verfügt, um die Menge der im Umlauf befindlichen Münzen abzusichern, stellt sich die Frage, wie langfristig die ausreichende Sicherheit gewährleistet werden kann und somit das Vertrauen der Öffentlichkeit aufrechterhalten bleibt.

    Letztendlich stellt sich die Frage nach der Regulierung: Werden die Regulierungsbehörden es Unternehmen erlauben, einen Vermögenswert zu schaffen, der einem gesetzlichen Zahlungsmittel ohne jegliche Aufsicht ähnelt?

    Chainalysis – Making the invisible visible

    Aus heutiger Sicht scheint der Einsatz von Stablecoins toleriert zu werden, solange er auf bestimmte geografische Gebiete beschränkt ist und klare Einsatzbedingungen festgelegt sind. Ein Bericht von Chainalysis mit dem Titel „The 2021 Geography of Cryptocurrency Report“ beschreibt, wie in einigen lateinamerikanischen Ländern Kryptowährungen als Reaktion auf wirtschaftliche Notlagen eingeführt werden. Das Ziel besteht darin, den Menschen in Lateinamerika durch den Einsatz von Stablecoins zu helfen, ihre wirtschaftlichen Schwierigkeiten zu mildern. Man liest folgendes:

    „Viele lateinamerikanische Länder sind wirtschaftlich instabil, daher sind die Menschen dort nicht wirklich daran interessiert, mit Kryptowährungen zu handeln oder mit Bitcoin in Kontakt zu kommen, weil es auf 80.000 Dollar steigt. … Die Menschen versuchen zu überleben, also brauchen sie die Möglichkeit, zwischen ihrer lokalen Währung und Kryptowährung zu wechseln, um ihren Wert zu erhalten. … Überweisungen sind eine weitere treibende Kraft hinter der Einführung von Kryptowährungen in Lateinamerika. Dies ist nicht völlig überraschend, da die traditionellen Überweisungen in Fiat-Währung für viele lateinamerikanische Länder enorm wichtig sind. Nach Angaben der Weltbank werden die eingehenden Überweisungen im Jahr 2020 2,4 % des BIP für Lateinamerika als Ganzes aus, mehr als jede andere Region. In Ländern wie El Salvador und Honduras machen die Rücküberweisungen über 20 % des nationalen BIP aus. … 35% der venezolanischen Haushalte erhalten Rücküberweisungen aus dem Ausland. Der venezolanische Bolivar ist aufgrund der Hyperinflation praktisch wertlos. Kryptowährung bietet eine Möglichkeit für Venezolaner, die das Land verlassen haben, Geld zurückzuschicken, und die Empfänger können dieses Geld dann in einer stabileren Währung halten.”

    BIP steht für Bruttoinlandsprodukt. Es ist eine wichtige wirtschaftliche Kennzahl, die den Gesamtwert aller Waren und Dienstleistungen misst, die innerhalb der Grenzen eines Landes innerhalb eines bestimmten Zeitraums, normalerweise eines Jahres, produziert wurden. Das BIP wird häufig verwendet, um die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit eines Landes zu bewerten und miteinander zu vergleichen.

    Chainalysis ist eine Blockchain-Datenplattform, die Tools und Forschung für Regierungsbehörden und Finanzinstitute bereitstellt. Ihr Ziel ist es, eine globale Wirtschaft auf der Grundlage von Blockchains zu gestalten.

    „Wir ebnen den Weg für eine globale Wirtschaft, die auf Blockchains basiert. Unternehmen, Banken und Regierungen nutzen Chainalysis, um wichtige Entscheidungen zu treffen, Innovationen zu fördern und Verbraucher zu schützen.”

    Eine 70-sekündige Einleitung zu Chainalysis finden Sie im folgenden Video:

    Diese kurze Vorstellung demonstriert sehr klar, dass die Privatsphäre der Nutzer im Wesentlichen auf dem Konzept der „Pseudonymität“ beruht. Dabei wird eine Art asymmetrischer Schutz der Privatsphäre angewendet. Während die Mehrheit der Nutzer die wahre Identität einer Person hinter einem Pseudonym (z. B. öffentliche Adresse/Schlüssel) nicht kennt und somit die Privatsphäre (z. B. private Adresse/Schlüssel) gewahrt bleibt, besteht die Möglichkeit für eine ausgewählte Gruppe von Personen oder Institutionen, die wahre Identität durch spezielle Kenntnisse und den Zugriff auf entsprechende Technologien zu ermitteln. Daher bietet die Pseudonymität keine vollständige Anonymität, sondern gewährt eine gewisse Privatsphäre gegenüber der breiten Öffentlichkeit, während sie gleichzeitig die Rückverfolgbarkeit für bestimmte autorisierte Parteien ermöglicht.

    Das ist ein wichtiger Punkt. Die Möglichkeit, die Identität einer Person hinter einem Pseudonym zu ermitteln, trägt in gewisser Weise zur weiteren Konzentration von Wissen und Macht bei. Personen oder Organisationen, die über die Ressourcen und die technischen Fähigkeiten verfügen, die Identität zu entschlüsseln, können dadurch eine erhöhte Kontrolle über die Informationen und die Handlungen derjenigen ausüben, die Pseudonyme verwenden. Dies kann insbesondere dann problematisch sein, wenn diese Macht in den Händen weniger, mächtiger Institutionen oder Regierungen liegt, was zu einem Ungleichgewicht in Bezug auf Datenschutz und individuelle Freiheit führen kann.

    In diesem Sinne ist es wichtig, dass der Einsatz von Pseudonymität in der Gesellschaft und in technologischen Systemen mit entsprechenden Schutzmechanismen und Datenschutzbestimmungen einhergeht, um den Missbrauch von Wissen und Macht zu verhindern und die individuelle Privatsphäre zu wahren. In den meisten Fällen sind staatliche oder behördliche Institutionen für die Festlegung und Durchsetzung von Datenschutzbestimmungen und Schutzmechanismen gegen Datenmissbrauch verantwortlich. Diese Institutionen werden oft von den jeweiligen Regierungen eingerichtet.

    Der Einsatz von Stablecoins als virtuelles „Safe Asset“ in wirtschaftlich schwierigen Situationen hat weite Teile der Bevölkerung in den betroffenen Regionen für den Gebrauch digitaler Währungen sensibilisiert und gewissermaßen darauf vorbereitet. Infolgedessen wurden im Hintergrund technologische Infrastrukturen entwickelt und die Akzeptanz sowie der Umgang mit virtuellen „Safe Assets“ als eine Form von tokenisiertem Geld getestet und bewertet. Gleichzeitig wurden auch entsprechende Analyse- und Überwachungstools erprobt und verbessert, um die erforderliche Tiefe der Datenextraktion zu gewährleisten.

    Das Dokument „The Current State of Central Bank Digital Currencies (CBDCs) in 2023” von Chainalysis bietet weitere Einblicke darüber, wie das Krypto-Ökosystem als „Sparringpartner“ bzw. „Trainingscamp“ bei der weiteren Entwicklung und Evolution des Fiat-Finanzsystems fungiert.

    „Die Blockchain-Technologie hat den digitalen Zahlungsverkehr schneller und einfacher denn je gemacht und die Verbreitung neuer Kryptowährungen für verschiedene Anwendungsfälle mit einzigartigen Merkmalen wie Dezentralisierung, Unveränderlichkeit, Pseudonymität und mehr ermöglicht. Diese Innovationen haben gezeigt, dass das globale Finanzwesen reif für Veränderungen ist – und die Regierungen haben dies zur Kenntnis genommen. Zentralbanken auf der ganzen Welt haben bereits damit begonnen, ihre Finanzsysteme für das Internet-Zeitalter umzugestalten.“

    3.7. Libra – The King is Dead, Long Live the King!

    Was würde geschehen, wenn ein Stablecoin nicht nur von einem Unternehmen, sondern von einem Unternehmenskonsortium gestützt wird, zu dem unter anderem Firmen wie Master Card, Visa, Stripe, eBay, PayPal, Vodafone und Facebook (Meta) gehören?

    Hier ein paar Kennzahlen zusammengefasst:

    MasterCard und Visa: Beide sind die weltweit bekanntesten Kreditkartenunternehmen, die Zahlungsdienste für Kredit- und Debitkarten anbieten. Sie erleichtern den elektronischen Geldtransfer zwischen Verbrauchern, Händlern und Finanzinstituten weltweit und ermöglichen Transaktionen in verschiedenen Währungen. Laut Statistikdaten für das Jahr 2023 führt Visa mit über 4,3 Milliarden Karten weltweit, gefolgt von Mastercard mit 3,3 Milliarden Karten. [Kostenlose-Kreditkarte]

    Stripe: Stripe ist ein führendes Finanztechnologieunternehmen, das Online-Zahlungslösungen und Zahlungsabwicklungsplattformen für Unternehmen anbietet. Millionen von Unternehmen aller Größenordnungen nutzen heutzutage Stripe, um Zahlungen online und persönlich vor Ort zu akzeptieren, Auszahlungen vorzunehmen, Finanzprozesse zu automatisieren und letztendlich ihren Umsatz zu steigern.

    eBay: eBay ist eine der größten Online-Marktplätze der Welt, auf den Personen und Unternehmen Waren und Dienstleistungen kaufen und verkaufen können. eBay bietet eine Plattform für den E-Commerce, auf der Millionen von Transaktionen täglich stattfinden. Im Jahr 2023 wurden 132 Millionen aktive Kunden bei eBay gezählt. [statista]

    PayPal: PayPal ist ein bekannter Zahlungsdienstleister, der es Verbrauchern und Unternehmen ermöglicht, online Geld zu senden und zu empfangen. Es bietet sichere Zahlungslösungen für E-Commerce-Transaktionen und ermöglicht es den Nutzern, Geld auf elektronische Weise zu überweisen, Rechnungen zu bezahlen und Online-Zahlungen zu tätigen. Die Anzahl der aktiven Accounts des Online-Bezahldienstes PayPal belief sich im vierten Quartal 2023 auf 426 Millionen. [statista]

    Vodafone: Vodafone ist ein weltweit tätiges Telekommunikationsunternehmen mit Hauptsitz in Großbritannien. Das Unternehmen ist in vielen Ländern aktiv und betreibt Mobilfunknetze in über 20 Ländern und Festnetz- oder Breitbanddienste in vielen weiteren. Vodafone ist bekannt für seine globalen Telekommunikationsdienste, innovative Technologien und sein Engagement für die Bereitstellung von Konnektivität und Kommunikationslösungen für Privatpersonen, Unternehmen und Regierungen auf der ganzen Welt. Momentan hat Vodafone weltweit über 300 Millionen Mobilfunk-Kunden.

    Facebook (Meta): Facebook ist ein globales soziales Netzwerk und eines der größten Technologieunternehmen der Welt. Das Hauptziel von Facebook ist es, Menschen miteinander zu verbinden und den Austausch von Informationen, Inhalten und Ideen zu erleichtern. Facebook bietet auch Werbe- und Marketingdienstleistungen für Unternehmen an, die es ihnen ermöglichen, ihre Produkte und Dienstleistungen gezielt zu bewerben und mit ihrer Zielgruppe in Kontakt zu treten. Im vierten Quartal 2023 lag die Zahl der täglich aktiven Nutzer auf Facebook knapp bei 2,11 Milliarden. [statista]

    Die Vereinigung beträchtlicher finanzieller Mittel und modernster Technologien innerhalb eines globalen Netzwerks mit mehr als 4 Milliarden Nutzern könnte dazu führen, dass privat ausgegebene Kryptowährungen das Geld der Zentralbanken und Geschäftsbanken als Zahlungsmittel ernsthaft herausfordern oder sogar teilweise verdrängen könnten. Infolgedessen könnten Zentralbanken die Kontrolle über das Zahlungsverkehrssystem an eine private Unternehmensgruppe abgeben, deren Netzwerkeffekte weitreichend, mächtig und potenziell schädlich sein könnten. Letztendlich könnte dies die geldpolitische Souveränität untergraben und die Finanzstabilität gefährden.

    Im Juni 2019 drohte genau dieses Szenario Realität zu werden, als Facebook (jetzt Meta) das Projekt namens Libra ankündigte. Libra sollte eine Kryptowährung sein, die durch Vermögenswerte abgesichert ist, also ein Stablecoin. Dieser sollte als Zahlungsmittel für die Mitglieder des weltweiten Netzwerks der Libra Association dienen, zu der die oben genannten Unternehmen gehörten. [wikipedia]

    Als essentielle Mitglieder der Libra-Assoziation sind Facebook (Meta), Visa, MasterCard, Stripe und Paypal allesamt Partner des World Economic Forums (WEF).

    Das Weltwirtschaftsforum ist die internationale Organisation für öffentlich-private Zusammenarbeit. Es bietet eine globale, unparteiische und gemeinnützige Plattform für sinnvolle Verbindungen zwischen Interessengruppen, um Vertrauen zu schaffen und Initiativen für Zusammenarbeit und Fortschritt aufzubauen. In einer Welt, die von komplexen Herausforderungen geprägt ist, bindet das Weltwirtschaftsforum politische, wirtschaftliche, akademische, zivilgesellschaftliche und andere führende Persönlichkeiten der Gesellschaft ein, um globale, regionale und industrielle Agenden zu gestalten. Das WEF verfolgt das Ziel, die internationale Zusammenarbeit zu fördern, um die großen Herausforderungen unserer Zeit anzugehen, und es spielt eine wichtige Rolle bei der Gestaltung globaler politischer, wirtschaftlicher und sozialer Entwicklungen. [weforum]

    Facebook kündigte am 15. Juli 2019 an, dass die Einführung der Währung erst erfolgen werde, wenn alle regulatorischen Bedenken ausgeräumt seien und Libra über die erforderlichen Genehmigungen verfüge. Am 18. September 2019 erklärte Mark Zuckerberg während eines Treffens mit führenden Vertretern der Demokraten im Senat, dass Libra nirgendwo auf der Welt ohne vorherige Genehmigung der US-Regulierungsbehörden eingeführt werde.

    Eine Revolution sieht wahrlich anders aus. Die Botschaft des Mitglieds des Weltwirtschaftsforums an politische Entscheidungsträger und Zentralbanker weltweit, dass es an der Zeit ist, die umfassenden Erkenntnisse und Erfahrungen, die man in den letzten 10 Jahren aus dem Krypto-Ökosystem gewonnen hat, praktisch in die weitere Entwicklung des Fiat-Finanzsystems umzusetzen, wurde rasch aufgegriffen.

    Die Libra-Initiative stieß einerseits auf erheblichen Widerstand von Regierungen, Zentralbanken und Regulierungsbehörden weltweit. Diese äußerten Bedenken hinsichtlich potenzieller Auswirkungen auf Geldpolitik, Finanzstabilität, Geldwäschebekämpfung und Datenschutz. Als Reaktion auf diesen Widerstand und den regulatorischen Druck wurde das Projekt formell umbenannt und umstrukturiert. Innerhalb von nur 6 Monaten nach der Ankündigung des Projekts zogen sich Visa, MasterCard, Stripe, PayPal, eBay und Vodafone aus der Initiative zurück. Schließlich gab Meta das Projekt im Januar 2022 auf und verwies auf regulatorische Hürden. Aufsichtsbehörden weltweit griffen ein und verboten privat ausgegebene Kryptowährungen als gesetzliches Zahlungsmittel. [wikipedia]

    Die Botschaft hat andererseits dazu geführt, dass die Einführung von digitalem Zentralbankgeld (CBDC) als unverzichtbar für die weitere Entwicklung des Fiat-Finanzsystems anerkannt wurde. Die Tatsache, dass es sich hierbei um eine strategische Entscheidung mit globaler Reichweite handelt, wird durch das Engagement des Atlantic Councils bei der Koordination dieses Prozesses verdeutlicht.

    Der Atlantic Council ist eine unabhängige, nicht parteiische Denkfabrik und ein Forum für politische Diskussionen, die sich auf transatlantische Beziehungen konzentriert. Der Atlantic Council beschäftigt sich mit einer Vielzahl von Themen, darunter Sicherheitspolitik, internationale Beziehungen, Wirtschaftsfragen, Technologie, Energie, Umwelt, und globale Governance. Zu den Mitgliedern des Atlantic Council gehören politische Führungskräfte, Regierungsbeamte, ehemalige Staats- und Regierungschefs, hochrangige Militärbeamte, Wirtschaftsführer, Akademiker und andere Persönlichkeiten des öffentlichen Lebens. [atlanticcouncil]

    Der Central Bank Digital Currency (CBDC) Tracker, der von dieser Denkfabrik im Juli 2021 veröffentlicht wurde, bietet einen Überblick über die rasante Entwicklung digitalen Zentralbankgeldes weltweit. Die interaktive Datenbank umfasst mittlerweile 130 Länder, die zusammen 98 % des globalen Bruttoinlandsprodukts (BIP) repräsentieren.

    Es wird nicht mehr darüber diskutiert, ob CBDC in den einzelnen Ländern eingeführt wird, sondern vielmehr darüber, wann und wie dies geschehen wird.

    3.8. Ethereum – Code is Law

    Im Kapitel 3.2. haben wir erfahren, dass die Blockchain-Technologie aus der Kombination bestehender Technologien wie Distributed Ledger Technologie (DLT), Kryptographie und Konsensalgorithmen entstanden ist. Das Ergebnis ist ein System, das Entscheidungen ohne eine zentrale Autorität treffen kann. Bitcoin ist ein konkretes Beispiel für die Anwendung eines solchen Systems (siehe Kapitel 3.5.). Die Blockchain-Technologie kann als ein System betrachtet werden, auf dem verschiedene Anwendungen und Programme entwickelt und ausgeführt werden können. Eine Währung wie Bitcoin ist nur eine mögliche Anwendung davon.

    Angesichts einer Technologie, die den Umgang mit Geld dezentralisieren kann, beginnen die Menschen zu erkunden, welche anderen Anwendungen oder Aufgaben, die derzeit noch zentralisiert sind, in einem dezentralisierten System besser erfüllt werden könnten. Doch für ein wirklich dezentralisiertes System ist ein großes Netzwerk von Computern erforderlich, um es zu betreiben. Am Anfang war die Bitcoin-Blockchain das einzige existierende Netzwerk, und es war ziemlich begrenzt. Dies lag daran, dass die Programmiersprache, die für Bitcoin verwendet wird, speziell für diese eine Anwendung definiert ist. Sie verfügt nur über einen kleinen Satz von Befehlen, den die Computer im Netzwerk verstehen und ausführen können (z. B. wer wie viel Geld an wen geschickt hat).

    Eine Programmiersprache ist eine formale Sprache, die dazu dient, Anweisungen zu verfassen, die von einem Computer ausgeführt werden können. Sie ermöglicht es einem Programmierer, Algorithmen zu entwerfen und zu implementieren, um bestimmte Aufgaben oder Probleme zu lösen.

    Um vielseitige und komplexe Aufgaben zu lösen, braucht man eine „vollständige“ Programmiersprache und ein spezielles Computernetzwerk, das diese Sprache versteht. Eine Programmiersprache gilt als „vollständig“, wenn es folgende Merkmale aufweist:

    1. Es kann Informationen speichern und damit arbeiten.
    2. Es kann Entscheidungen treffen und verschiedene Dinge tun, je nachdem, was gerade passiert (zum Beispiel „wenn dies, dann das“).
    3. Es kann bestimmte Aktionen wiederholt ausführen, solange es nötig ist (wie eine Schleife).
    4. Es erlaubt, bestimmte zusätzliche Aufgaben zu definieren und sie immer wieder auszuführen, wenn sie gebraucht werden.

    Wenn eine Programmiersprache all diese Eigenschaften hat, kann es jede mögliche Berechnung durchführen. Dadurch können jede berechenbare Funktion oder jedes berechenbare Problem gelöst werden.

    Nehmen wir an, Sie möchten ein eigenes dezentrales Programm, ähnlich wie Bitcoin, zu Hause erstellen. Dafür benötigen Sie zunächst ein tiefes technisches Verständnis für die zugrunde liegenden Konzepte von Kryptowährungen wie Blockchain, Konsensalgorithmen, Kryptographie, Transaktionen und Mining. Sie müssen eine Programmiersprache beherrschen, die es ermöglicht, den Konsensalgorithmus, die Transaktionsverarbeitung, Wallets, Netzwerkfunktionen und andere erforderliche Komponenten in einem Softwarealgorithmus zu implementieren. Nicht zuletzt müssen Sie ein riesiges Netzwerk von Computern einrichten, um diese Software auszuführen. Das klingt nach einer „Mission Impossible“, oder?

    In solch einer Situation kann Ihnen Ethereum zur Seite stehen. Ethereum ist eine Open-Source-Blockchain-Plattform, die es Entwicklern ermöglicht, dezentralisierte Anwendungen (DApps) zu erstellen und auszuführen. Konzipiert wurde sie von Vitalik Buterin im Jahr 2013. Der offizielle Start erfolgte im Jahr 2015. Wenn Sie ein dezentrales Programm erstellen möchten, das keine einzelne Person kontrolliert – nicht einmal Sie selbst, obwohl Sie es geschrieben haben – müssen Sie lediglich die Ethereum-Programmiersprache Solidity erlernen und mit dem Programmieren beginnen. Solidity gilt als „vollständige“ Programmiersprache, die die Entwicklung und Ausführung von komplexen Applikationen auf der Ethereum-Blockchain ermöglicht. Auf der Ethereum-Plattform laufen Tausende unabhängige Computer, was bedeutet, dass sie vollständig dezentralisiert ist. Sobald ein Programm im Ethereum-Netzwerk bereitgestellt wird, stellen diese Computer, auch Knoten genannt, sicher, dass es wie vorgesehen ausgeführt wird. Ethereum bildet die Infrastruktur für den weltweiten Betrieb von DApps.

    Im Abschnitt 3.5. haben wir die Bitcoin-Blockchain mithilfe der Analogie eines öffentlichen Notizbuchs (Ledger) erklärt, das für jedermann einsehbar ist. In diesem Notizbuch werden sämtliche Transaktionen verzeichnet, die jemals stattgefunden haben. Jede Seite dieses Notizbuchs entspricht einem Block, der eine Liste von Transaktionen enthält, wie beispielsweise Geldüberweisungen von einer Person an eine andere.

    Das Ethereum-Netzwerk kann ähnlich wie Bitcoin als eine Plattform für Kryptowährungen genutzt werden. Innerhalb des Ethereum-Ökosystems dient Ether als Kryptowährung. Ether ist ein Token, das speziell für die Nutzung auf der Ethereum-Plattform erstellt wurde und verwendet wird. Als primäres Zahlungsmittel des Ethereum-Netzwerks ermöglicht Ether Transaktionen zwischen Benutzern. Es kann verwendet werden, um Werte zu übertragen oder Zahlungen für Dienstleistungen und Produkte zu leisten. Tatsächlich ist die Kryptowährungsfunktion bei Ethereum nur von untergeordneter Bedeutung.

    Ether wird in erster Linie als Gebühr verwendet, die für jede Berechnung erhoben wird, die im Ethereum-Netzwerk im Zusammenhang mit einer Transaktion stattfindet. Im Ethereum-Ökosystem ist nichts kostenlos! Diese Gebühren machen Ether zur primären Voraussetzung für die Erstellung oder Nutzung von DApps (dezentralen Anwendungen) auf der Ethereum-Blockchain. Die Erhebung von Gebühren dient dazu, das Ethereum-Netzwerk vor Überlastung zu schützen. Wie bereits erwähnt, nutzt Ethereum eine vollständige Programmiersprache, die komplexe Berechnungen ermöglicht. Ohne Gebühren könnte ein böswilliger Akteur leicht versuchen, das Netzwerk zu stören, indem er eine unendliche Schleife innerhalb einer Transaktion ausführt, ohne dafür bestraft zu werden. Gebühren stellen sicher, dass solche Aktionen Kosten verursachen, was potenzielle Angreifer abschreckt und das Netzwerk vor absichtlichen Angriffen schützt.

    Ethereum ermöglicht es den Menschen, sich direkt miteinander zu verbinden, ohne dass eine zentrale Autorität dafür verantwortlich ist. Es ist ein Netzwerk von Computern, die sich zu einem leistungsstarken „dezentralen Supercomputer“ verbinden. Die kombinierte Rechenleistung der Netzwerkknoten kann genutzt werden, um komplexe Berechnungen durchzuführen oder Ressourcen für dezentralisierte Anwendungen (DApps) bereitzustellen, die auf der Plattform laufen. Auf diese Weise kann Ethereum eine Vielzahl von Anwendungsfällen unterstützen, ohne von einer zentralen Instanz kontrolliert zu werden.

    Abb. 27: Ethereum-Blockchain

    „Ethereum ist ein Protokoll für die menschliche Koordinierung. Koordination ist ein Spiel, aber nicht eines, das gespielt wird, um zu gewinnen. Koordination ist eher wie die Pflege eines Gartens, in dem man nur arbeitet, damit der Garten weiter gedeiht.“ ethereum foundation

    In der Ethereum-Weltanschauung wird die menschliche Koordination als ein Spiel betrachtet, das bestimmten Regeln folgt. Diese Regeln werden in „Smart Contracts“ festgehalten. Ein Smart Contract ist im Grunde genommen wie ein digitaler Vertrag, eine automatisierte Vertragslösung, die bestimmte Aufgaben abarbeitet, sobald bestimmte Kriterien erfüllt sind.

    Um einen Smart Contract für Endbenutzer zugänglich zu machen, sind DApps notwendig, um eine Benutzeroberfläche zu bieten, durch die Benutzer mit Smart Contracts interagieren können. DApps kombinieren einen Smart Contract und eine Benutzeroberfläche, wodurch sie die Rolle der Vermittlung zwischen dem Benutzer und dem Smart Contract übernehmen. Ohne eine DApp wäre es für die meisten Benutzer schwierig, einen Smart Contract zu nutzen, da dies technisches Wissen und die Fähigkeit erfordert, direkt mit der Blockchain zu interagieren.

    Eine DApp stellt sicher, dass Benutzer die erforderlichen Informationen bereitstellen können, um Transaktionen auszuführen oder Aktionen im Smart Contract auszulösen, und sie präsentiert die Ergebnisse oder den aktuellen Zustand des Smart Contracts auf verständliche Weise für den Benutzer.

    Sowohl Smart Contracts als auch DApps werden mittels der Programmiersprache Solidity geschrieben. Solidity ist eine Programmiersprache, die speziell für die Erstellung von Smart Contracts auf der Ethereum-Blockchain entwickelt wurde. Durch die Nutzung von Solidity können Entwickler Smart Contracts schreiben, die die Regeln und Logik der DApp festlegen und sie auf der Ethereum-Blockchain ausführen lassen.

    Um diesen Vorgang besser zu verstehen, kann man sich die Kontoarten im Ethereum-Netzwerk anschauen.

    Kontoarten im Ethereum-Netzwerk

    Im Ethereum-Netzwerk gibt es zwei Arten von Konten:

    Externe Konten: Diese Konten werden von Benutzern des Ethereum-Netzwerks erstellt und genutzt. Sie können Ether (die Kryptowährung von Ethereum) halten und Transaktionen zwischen externen Konten durchführen. Externe Konten haben eine Adresse und einen privaten Schlüssel. Der Besitz eines privaten Schlüssels bedeutet die Kontrolle über den Zugriff auf den Inhalt des Kontos und autorisiert den Benutzer, Transaktionen zu initiieren. Das externe Konto wird über ein Ethereum-Wallet verwaltet. Das Ethereum-Wallet kann als Tor zum Ethereum-System betrachtet werden. Es hält ihre Schlüssel vor und kann für Sie Transaktionen erzeugen und übertragen.

    Wenn ein Benutzer eine DApp erstellen möchte, kann er die Ethereum-Programmiersprache Solidity nutzen, um sogenannte Smart Contracts zu schreiben. Wie bereits beschrieben, repräsentieren diese Smart Contracts die Programmlogik, nach der dezentrale Anwendungen (DApps) auf der Ethereum-Plattform betrieben werden. Sobald der Smart Contract erstellt wurde, wird er in „Bytecode“ übersetzt, eine für Computer verständliche Sprache. Der so vorbereitete Smart Contract kann dann in der Ethereum-Blockchain registriert werden, was die Erzeugung einer speziellen Transaktion erfordert. Nachdem diese Transaktion validiert wurde, wird der Bytecode des Smart Contracts in der Blockchain gespeichert. Sobald der Vertrag in der Blockchain eingetragen ist, erhält er (ähnlich wie Wallets) eine Ethereum-Adresse. Dadurch entsteht die zweite Kontoart bei Ethereum – das Vertragskonto.

    Vertragskonten: Vertragskonten sind spezielle Konten, die den Bytecode von Smart Contracts oder DApps enthalten. Diese Konten haben ebenfalls eine Adresse, verfügen jedoch nicht über einen privaten Schlüssel. Wenn ein Benutzer eine Transaktion an ein Vertragskonto sendet, wird der im Smart Contract definierte Code ausgeführt. Dadurch können Benutzer bestimmte Aktionen auslösen oder Anweisungen an den Smart Contract senden, um verschiedene Funktionen auszuführen. Transaktionen an Vertragskonten können Ether, Daten oder beides enthalten. Enthalten sie Ether, werden diese dem Vertragskonto gutgeschrieben. Enthalten sie Daten, können diese bei der Ausführung einer Funktion des Kontrakts verwendet werden.

    Abb. 28: Kontoarten im Ethereum-Netzwerk

    Transaktionen im Ethereum-Netzwerk

    Es ist essenziell, den grundlegenden Unterschied zwischen externen Konten und Vertragskonten zu erfassen. Ein externes Konto kann Nachrichten an andere externe Konten oder Vertragskonten senden, indem es eine Transaktion mit seinem privaten Schlüssel erstellt und signiert. Eine Transaktion zwischen zwei externen Konten ist einfach ein Werttransfer. Wenn jedoch eine Nachricht von einem externen Konto an ein Vertragskonto gesendet wird, löst sie den Code des Vertragskontos aus und ermöglicht ihm, verschiedene Aktionen wie Tokentransfers, das Schreiben in den internen Speicher, das Generieren neuer Token, das Durchführen von Berechnungen usw. auszuführen.

    Im Gegensatz zu externen Konten können Vertragskonten keine neuen Transaktionen eigenständig initiieren. Sie können stattdessen nur Transaktionen als Reaktion auf andere Transaktionen (von einem externen Konto oder Vertragskonto), die sie erhalten haben, versenden.

    Abb. 29: Transaktionen im Ethereum-Netzwerk

    Jede Aktion, die auf der Ethereum-Blockchain stattfindet, wird stets durch Transaktionen initiiert, die von extern kontrollierten Konten gesendet werden.

    Die Ethereum-Blockchain funktioniert wie eine Maschine, die auf Transaktionen basiert. Je nach den Anweisungen und Eingaben, die ihr gegeben werden, verändert sie ihren Zustand. In der Informatik bezieht sich der Begriff „Zustandsmaschine“ auf ein System, das verschiedene Zustände durchläuft und je nach Eingaben zwischen diesen Zuständen wechselt. Zum Beispiel, wenn ein neues Vertragskonto erstellt wird oder Ether für Transaktionen mit einem bestehenden Vertragskonto überwiesen wird, ändert sich der Zustand dieses weltweiten Computers, indem er die Transaktion aufzeichnet und die Kontostände sowohl der externen als auch der Vertragskonten aktualisiert.

    Abb. 30: Ethereum als Zustandsmaschine

    Die Zustandsmaschine von Ethereum kann vereinfacht wie folgt beschrieben werden: Sie beginnt mit einem „Genesis-Zustand“, ähnlich einem leeren Blatt Papier, bevor Transaktionen stattfinden. Wenn Transaktionen ausgeführt werden, ändert sich dieser Genesis-Zustand in einen finalen Zustand. Dieser finale Zustand repräsentiert den aktuellen Stand von Ethereum zu jedem Zeitpunkt.

    Der Zustand von Ethereum umfasst Millionen von Transaktionen, die in Blöcke gruppiert sind. Jeder Block enthält eine Sammlung von Transaktionen und ist mit seinem vorherigen Block verkettet.

    Abb. 31: Ausgeführte Transaktionen werden auf der Blockchain gespeichert und ändern den Zustand

    Um den Übergang von einem Zustand zum nächsten zu ermöglichen, muss eine Transaktion gültig sein. Um als gültig betrachtet zu werden, muss eine Transaktion einen Validierungsprozess durchlaufen, der als Mining oder Proof-of-Work bekannt ist. Mining ist ein Prozess, bei dem eine Gruppe von Knoten (also Computern) ihre Rechenleistung nutzt, um einen Block mit gültigen Transaktionen zu erstellen. Jedes Mal, wenn ein Miner einen Block erfolgreich validiert, werden neue Ether-Token erzeugt und an ihn ausgezahlt. Die grundlegenden Prinzipien ähneln denen, die im Kapitel 3.2. beschrieben sind.

    CODE IS LAW

    Smart Contracts werden auf der Ethereum-Blockchain gespeichert, was bedeutet, dass sie sicher und unveränderlich sind.

    Die Regeln und Bedingungen des Vertrags können nicht geändert werden. In der Ethereum-Blockchain sind alle Transaktionen und Zustandsänderungen transparent und nachvollziehbar.

    Jeder kann die Historie der Transaktionen eines bestimmten Smart Contracts überprüfen und den aktuellen Zustand abrufen, indem er die entsprechenden Daten in der Blockchain überprüft.

    In dem Video-Beitrag „CODE IS LAW? Smart Contracts Explained“ von Finematics wird der Begriff Smart Contract ausführlich und dennoch allgemeinverständlich erklärt.

    Lassen Sie uns einige Aspekte von Smart Contracts genauer betrachten. Wie im oben genannten Video erwähnt, deckt ein Smart Contract alle Schlüsselbereiche eines Vertrags ab: von der Identifizierung der Vertragsparteien über den Vertragsgegenstand bis hin zu Leistungen, Pflichten, Konditionen und Laufzeit, sowie der Verwaltung und Durchsetzung. Ein Smart Contract auf der Ethereum-Plattform ist absolut präzise. Er folgt der vorprogrammierten Logik bis ins kleinste Detail und wird deterministisch ausgeführt.

    Deterministisch bezieht sich auf ein Konzept, das in verschiedenen Disziplinen wie Mathematik, Philosophie, Informatik und Physik verwendet wird. Es bedeutet im Wesentlichen, dass ein Ereignis oder eine Serie von Ereignissen vollständig vorhersehbar ist, ohne Zufall oder Unsicherheit. In der Informatik bezieht sich „deterministisch“ auf Programme oder Algorithmen, bei denen bei gegebenen Eingaben immer das gleiche Ergebnis erzielt wird. Das bedeutet, dass die Ausführung eines deterministischen Algorithmus immer zu einem eindeutigen und vorhersehbaren Ergebnis führt, unabhängig von anderen Einflussfaktoren. Die tatsächliche Welt wird jedoch oft von verschiedenen, manchmal unvorhersehbaren Faktoren beeinflusst. Deterministische Modelle stellen in vielen Fällen nur eine Annäherung an die Realität dar.

    Da der Smart Contract in der Ethereum-Blockchain gespeichert ist, ermöglicht er praktisch keine nachträglichen Veränderungen. Dies gewährleistet, dass sämtliche Ausführungen des Vertrags mit absoluter Präzision behandelt werden, um sicherzustellen, dass der Vertrag ausschließlich das tut, was der Autor beabsichtigt hat. Dies entspricht dem Prinzip von „Code is Law“ (Code ist Gesetz). Ein Smart Contract auf Ethereum besitzt die ultimative Autorität, und niemand kann den Vertrag außer Kraft setzen.

    Die Durchführung von Smart Contracts auf einer dezentralen Plattform eröffnet neue Perspektiven für die zukünftige Ausgestaltung nicht nur des Finanzsystems, sondern auch für die Umsetzung spezifischer politischer Agenden. Diese Entwicklung kann als Grundlage für innovative Finanzdienstleistungen dienen und sowohl bei Transaktionen von der Regierung zum Bürger (Government-to-Citizen) als auch von Bürgern zur Regierung (Citizen-to-Government) signifikante Auswirkungen haben.

    3.8.1. Chainlink – Oracles, mediators between the gods and humans

    Smart Contracts sind Verträge, die auf Daten basieren und von ihnen abhängig sind. Die Bereitstellung korrekter Daten ist entscheidend, damit die Vereinbarung genau wie erwartet ausgeführt wird. Die Genauigkeit der Daten beeinflusst direkt die Ergebnisse eines Smart Contracts.

    Es ist wichtig zu verstehen, dass Blockchains bestimmte isolierende Eigenschaften innerhalb des World Wide Web aufweisen. Was sind die Ursachen dafür?

    Blockchains sind äußerst sicher und zuverlässig aufgrund bestimmter Konstruktionsprinzipien. Eine Blockchain erreicht Konsens, indem sie Daten verwendet, die bereits in ihrem eigenen Ledger gespeichert sind. Das Hauptbuch der Blockchain gilt als vertrauenswürdig, da es die Dezentralisierung nutzt, um alle Daten redundant mit Hilfe aller Knoten im Netzwerk zu validieren. Die Dezentralisierung gewährleistet auch die Integrität des Konsensalgorithmus, da Änderungen der Protokollregeln nur mit Zustimmung eines wesentlichen Teils des Netzwerks möglich sind (z. B. 51 %). Diese Eigenschaften bieten starke Garantien für den Determinismus von Berechnungen und Datenspeicherung, insbesondere in stark dezentralisierten Netzwerken.

    Blockchains sind jedoch weniger geeignet, um Fragen zu beantworten, die subjektive Einschätzungen erfordern oder externe Daten nutzen, die nicht für jeden Knoten im Netzwerk einfach zugänglich sind. Zum Beispiel könnten Fragen wie „Was ist der aktuelle EUR-USD Wechselkurs?“ oder „Wie ist das Wetter in Berlin?“ zu unterschiedlichen Antworten führen, abhängig von der verwendeten Datenquelle und dem Zeitpunkt der Abfrage. Infolgedessen stellt sich die Frage, welche Antwort als die korrekte betrachtet werden sollte und wie ihre Richtigkeit überprüft werden kann. Darüber hinaus erfordert jede Änderung oder Anpassung an den Datenquellen des Blockchain-Netzwerks eine umfassende Koordinierung, um sicherzustellen, dass alle Netzwerkknoten zustimmen und ihre Software entsprechend aktualisieren.

    Aus diesem Grund sind Blockchains nicht in der Lage, eigenständig eine Verbindung zu realen Daten und Ereignissen herzustellen.

    Abb. 32: Blockchains sind nicht in der Lage, eigenständig eine Verbindung zu realen Daten und Ereignissen herzustellen. [What Is an Oracle in Blockchain?]

    Smart Contracts und Dapps, die auf der Ethereum-Blockchain laufen, können direkt nur auf Daten zugreifen, die auf der Ethereum-Blockchain vorhanden sind. Da das Ethereum-Ökosystem noch in einem frühen Entwicklungsstadium ist und aufgrund der spezifischen Konstruktionsprinzipien von Blockchains ist die Menge an validierten Daten, die direkt von Smart Contracts genutzt werden können, relativ begrenzt. Der Hauptfokus liegt auf verschiedenen Bereichen, darunter:

    • Aufbau von dezentralisierten Finanzdienstleistungen (DeFi) mit Kryptowährungen
    • Applikationen, die sich auf digitales Eigentum konzentrieren
    • Gaming
    • Metaverse
    • Soziale Netzwerke
    • Dezentralisierung von Entwicklerwerkzeugen als Grundlage für weitere technologische Entwicklungen

    Hier liegt das Dilemma: Die meisten Daten aus der realen Welt befinden sich nicht auf der Blockchain. Ohne Zugang zu diesen Daten wäre der Einsatz von Smart Contracts stark eingeschränkt. Um Smart Contracts auch für den Alltag nutzen zu können, benötigen sie externe Konnektivität, um mit anderen Systemen zu kommunizieren und das Eintreten realer Ereignisse zu bestätigen. Das wiederum bringt Risiken und Herausforderungen mit sich, insbesondere in Bezug auf die Sicherheit und Vertrauenswürdigkeit der Daten. Somit stehen die Vorteile der Nutzung von Smart Contracts im Konflikt mit den Schwierigkeiten bei der Integration externer Daten.

    An dieser Stelle kommen die sogenannten Oracle-Services ins Spiel.

    In der Mythologie bezieht sich ein Orakel auf eine göttliche oder spirituelle Entität, die als Vermittler zwischen den Göttern und den Menschen dient und als Instanz, die als Überbringer von Informationen fungiert.

    Im Blockchain-Kontext sind Oracle-Services externe Dienste oder Protokolle, die Smart Contracts mit Daten oder Informationen aus der realen Welt verbinden. Da Smart Contracts auf Blockchain-Plattformen wie Ethereum nicht direkt auf externe Datenquellen zugreifen können, sind Oracle-Services erforderlich, um diese Lücke zu schließen.

    Oracle-Services fungieren als Vermittler zwischen der Blockchain und externen Datenquellen wie APIs, IoT-Geräten, traditionellen Datenbanken oder anderen Blockchain-Netzwerken. Sie sammeln und liefern Echtzeitdaten oder Ereignisse an Smart Contracts, damit diese auf Basis dieser Daten automatisch Aktionen ausführen können.

    Eine API (Application Programming Interface) bezeichnet eine Schnittstelle, die es ermöglicht, Daten von einem externen Dienst oder System abzurufen. Dies ermöglicht eine nahtlose Integration externer Daten in Anwendungen und erleichtert die Entwicklung von Anwendungen, die auf aktuelle Informationen angewiesen sind.

    Ein IoT-Gerät (Internet of Things) ist ein physisches Gerät oder eine Maschine, das/die mit dem Internet verbunden ist und Daten über das Internet senden und empfangen kann. Die Verwendung von IoT-Geräten ermöglicht die Automatisierung, Überwachung und Optimierung von Prozessen und Systemen in verschiedenen Bereichen, was zu Effizienzsteigerungen, Kosteneinsparungen und neuen Möglichkeiten für Innovationen führen kann.

    Ein Oracle-Service kann beispielsweise Informationen wie Wetterdaten, Börsenkurse, Lieferstatus von Paketen oder Ergebnisse von Sportereignissen an einen Smart Contract liefern. Dadurch wird es möglich, dass Smart Contracts auf der Blockchain auf aktuelle Informationen zugreifen und entsprechend reagieren können, ohne auf manuelle Eingaben von Benutzern angewiesen zu sein.

    Oracle-Services sind somit von entscheidender Bedeutung für die Funktionalität und den Nutzen von Smart Contracts in Anwendungsfällen, die auf reale Ereignisse oder externe Daten angewiesen sind.

    Oracles reagieren auf Anfragen von Smart Contracts nach Off-Chain-Daten. Sie rufen diese Daten von externen Systemen ab und wandeln diese in einem für die Blockchain lesbares Format um. Dabei werden die Daten validiert und ein kryptografischer Nachweis, der die Leistung des Oracle-Dienstes bescheinigt, erstellt. Je nach Anwendungsfall kann der Oracle Off-Chain Berechnungen auf der Grundlage von den verfügbaren Daten durchführen. Die so aufbereiteten Daten werden dann an die Blockchain übertragen, um vom Smart Contract weiter verarbeitet zu werden. Wenn der Smart Contract Informationen an Off-Chain Systeme transferieren muss, so werden diese vom Oracle in ein für das jeweilige externe System lesbares Format zurück gewandelt und an das externe System gesendet. Eine schematische Darstellung findet man in folgender Abbildung.

    Abb. 33: Orakel verbinden Eingaben und Ausgaben mit Blockchains, um hybride intelligente Verträge zu erstellen. [What Are Smart Contracts and How Do They Work?]

    Smart Contracts, die auf Off-Chain Daten zugreifen, werden auch Hybrid Smart Contract bezeichnet. Diese Unterscheidung ist nicht zufällig und hängt mit der Entwicklung vom World Wide Web (WWW) zusammen. Die einzelnen Entwicklungsstufen des WWW sind in den folgenden Abbildungen zusammengefasst.

    Abb. 34: Entwicklungsstufen des WWW – Web 1.0

    Im Web 1.0 bestand das Internet hauptsächlich aus statischen Webseiten, die im Besitz von Unternehmen waren. Es gab kaum Interaktion zwischen den Benutzern, und Einzelpersonen produzierten nur selten Inhalte. Dies führte dazu, dass es als „reines Lese-Web“ bekannt wurde.

    Abb. 35: Entwicklungsstufen des WWW – Web 2.0

    Mit der Entwicklung zum Web 2.0 verlagerte sich das Internet zu einem „Lese-Schreib-Web“. Unternehmen begannen, Plattformen für den Austausch von nutzergenerierten Inhalten und die Interaktion zwischen den Nutzern anzubieten. Allerdings begannen einige große Unternehmen einen überproportionalen Anteil am Datenverkehr und an den im Internet generierten Werten zu kontrollieren, als immer mehr Menschen online gingen. Dies bedeutet, dass der größte Teil des Internets, den die Menschen heute kennen und nutzen, auf dem Vertrauen in eine Handvoll privater Unternehmen basiert, die im Interesse der Öffentlichkeit handeln.

    Abb. 36: Entwicklungsstufen des WWW – Web 3.0

    Der Begriff Web 3.0 wurde von Ethereum-Mitbegründer Gavin Wood kurz nach dem Start von Ethereum im Jahr 2014 geprägt. Ein zentrales Merkmal des Web 3.0 ist die Dezentralisierung, bei der Macht und Kontrolle von zentralisierten Institutionen auf die Nutzer und die Gemeinschaft übertragen werden. Damit ist Web 3.0 bestrebt, das Internet in eine Richtung zu entwickeln, in der die Benutzer mehr Autonomie und Kontrolle über ihre eigenen Daten und Interaktionen haben. Symbolisch steht Web 3.0 für „lesen, schreiben, besitzen“. Die Blockchain-Technologie wird oft als eine Schlüsselkomponente von Web 3.0 betrachtet.

    Ein Smart Contract im Sinne von Web 3.0 wird auf einer Web 3.0 Infrastruktur (Blockchain) ausgeführt und verwendet Daten, die dezentral verifiziert sind (Daten im eigenen Ledger).

    Ein Hybrid Smart Contact verwendet eine Web 3.0 Infrastruktur (Blockchain), greift aber auf Daten, die meistens in Web 2.0 erzeugt sind. Durch diesen Spagat versucht man, die Vorteile der Smart Contracts für Problemstellungen im realen Alltag zu nutzen.

    Die reale Welt kann als ein zentralisiertes System betrachtet werden, obwohl es viele dezentrale Elemente gibt. In den meisten Gesellschaften gibt es eine zentrale Autorität oder Institutionen, die eine gewisse Kontrolle über wichtige Aspekte des Lebens ausüben, wie zum Beispiel Regierungen, Gesetzgebung, Gerichte, Unternehmen und andere Organisationen. Diese zentralen Autoritäten haben oft die Macht, Entscheidungen zu treffen, Regeln aufzustellen und Ressourcen zu kontrollieren. Dies führt zu einer Konzentration von Macht und Einfluss in den Händen weniger, während die Mehrheit der Bevölkerung von diesen zentralen Strukturen abhängig ist. Dennoch gibt es auch dezentrale Elemente in der Gesellschaft, wie informelle soziale Netzwerke, lokale Gemeinschaften, unabhängige Organisationen und persönliche Beziehungen, die nicht von zentralen Autoritäten kontrolliert werden.

    Insgesamt kann die reale Welt als ein hybrides System betrachtet werden, das sowohl zentralisierte als auch dezentrale Elemente enthält. Die Entwicklung von Technologien wie Blockchain und dezentralen Netzwerken kann dazu beitragen, einige Aspekte der Zentralisierung herauszufordern und die Möglichkeit bieten, Macht und Kontrolle auf eine breitere Basis zu verteilen.

    In einigen Anwendungsfällen könnte ein Smart Contract auf einer Blockchain mit Hilfe von Orakel nur auf Daten aus einer anderen Blockchain zugreifen ohne weitere Interaktionen mit Web 2.0 basierenden Systemen.
    „Smart Contracts“ können auch auf Web 2.0 ausgeführt werden, obwohl sie in diesem Kontext möglicherweise nicht so effektiv sind wie auf Blockchain-basierten Plattformen im Rahmen von Web 3.0. In Web 2.0 können Smart Contracts in zentralisierten Umgebungen implementiert werden, die auf herkömmlichen Servern und Datenbanken basieren. Diese Smart Contracts würden von einem zentralen Server oder einer zentralen Autorität verwaltet und ausgeführt werden. Obwohl sie einige der Vorteile von Automatisierung und Programmierbarkeit bieten können, fehlt ihnen die Dezentralisierung und Transparenz, die mit Blockchain-basierten Smart Contracts verbunden sind.
    Ein Beispiel für die Verwendung von Smart Contracts in Web 2.0 könnte ein Online-Zahlungssystem sein, das auf einem zentralen Server betrieben wird. In diesem Fall könnten Smart Contracts verwendet werden, um Zahlungen automatisch auszuführen, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, ähnlich wie bei Blockchain-basierten Smart Contracts. Allerdings wäre die Ausführung dieser Smart Contracts von der Integrität und Sicherheit des zentralen Servers abhängig, was nicht die gleiche Vertrauenswürdigkeit und Unveränderlichkeit bietet wie eine Blockchain.

    Damit Smart Contracts wie erwartet funktionieren, müssen die von Oracle gelieferten Daten korrekt sein. Daher ist es entscheidend, dass der Oracle-Mechanismus fehlerfrei ist. Eine innovative Lösung für das Oracle-Problem sind dezentrale Oracle-Services. Diese verhindern Datenmanipulation, Ungenauigkeiten und Ausfallzeiten. Ein dezentrales Oracle-Netzwerk (Decentralized Oracle Network, kurz DON) vereint mehrere unabhängige Oracle-Knotenbetreiber und zuverlässige Datenquellen, um eine durchgängige Dezentralisierung zu gewährleisten. So eine Lösung wird von der Firma Chainlink angeboten (Abb. 37).

    Abb. 37: Dezentrale Oracle-Netzwerke (DONs) ermöglichen es intelligenten Verträgen, sich sicher mit externen Daten und Systemen zu verbinden. [What Is Offchain Data and Computation?]

    Chainlink bietet eine dezentrale Infrastruktur, die es ermöglicht, Daten von verschiedenen Datenquellen zu sammeln und in die Blockchain zu bringen. Es verwendet ein Netzwerk von „Oracles“, die die Daten sammeln, validieren und in die Blockchain einspeisen. Diese Oracles sind unabhängige Knoten, die Daten liefern und sich am Chainlink-Netzwerk beteiligen.

    Chainlink nutzt zwar einige Blockchain-Prinzipien und integriert sich in verschiedene Blockchain-Netzwerke wie Ethereum, jedoch handelt es sich nicht um eine eigenständige Blockchain. Es bietet vielmehr eine Infrastruktur und ein Ökosystem, das darauf abzielt, Daten von externen Datenquellen zu sammeln und in die Blockchain zu bringen, um Smart Contracts mit Echtzeitdaten zu versorgen.

    Das folgende Video liefert eine kurze Zusammenfassung der dezentralen Oracle-Netzwerk-Lösung von Chainlink.

    Um das grenzenlose Potenzial universell verbundener Smart Contracts zu veranschaulichen, hat Chainlink eine Liste von mehr als 77 Anwendungsmöglichkeiten zusammengestellt.

    Schauen wir uns einige der von Chainlink genannten Beispiele etwas genauer an:

    Externer Zahlungsverkehr

    Heutzutage ist Geld das übliche Mittel zur Bewertung von Vermögenswerten und zum Kauf von Dienstleistungen. Smart Contracts können Zahlungen in der Kryptowährung ihrer eigenen Blockchain abwickeln, zum Beispiel Ethereum Smart Contracts, die ETH akzeptieren. Viele Unternehmen und Nutzer möchten jedoch nicht ihre bevorzugte Fiat-Währung in Kryptowährung umtauschen. Stattdessen bevorzugen sie, auf eine Vielzahl bereits etablierter Zahlungsoptionen und -dienste zurückzugreifen. Chainlink ermöglicht die Verbindung von Smart Contracts mit bestehenden Bankensystemen. Entwickler können so nahtlos Informationen und Dienste wie Bankkonten von Verbrauchern, direkte Einzahlungen und andere Prozesse führender globaler Banken in ihre Algorithmen integrieren. Zusätzlich bietet Chainlink Zugang zu führenden Kreditkartenanbietern und etablierten Zahlungsnetzwerken wie PayPal und anderen. Entwickler können nun Anwendungen erstellen, die die Vorteile der gefragtesten Zahlungsmethoden nutzen, die sowohl im Inland als auch international im Einzelhandel täglich verwendet werden.

    Dies legt den Grundstein für die Integration von Transaktionen mit allen bereits etablierten digitalen Fiat-Geldvarianten wie Debit- und Kreditkarten, elektronischen Geldbörsen oder Apps sowie digitalen Einlagen bei Geschäftsbanken in Smart Contracts.

    Versicherungen

    Die Versicherungsbranche operiert heute in einem Umfeld, das von geringem Vertrauen geprägt ist. Versicherungsnehmer haben einen Anreiz, positive Informationen in ihren Anträgen falsch anzugeben, um ihre monatlichen Beiträge zu senken, während Versicherer dazu tendieren, Zahlungen zu verzögern und Tarife zu erhöhen, um falsch dargestellte Risikoprofile auszugleichen. Traditionelle Versicherungsunternehmen können von der Blockchain-Technologie profitieren, indem sie fortschrittliche, auf Smart Contracts basierende parametrische Versicherungsverträge entwickeln, die automatisch Versicherungsbeiträge und Auszahlungen basierend auf realen Daten auslösen, die von dezentralen Oracle-Netzwerken bereitgestellt werden.

    • Kraftfahrzeugversicherung

    Moderne Fahrzeuge sind mit einer Vielzahl interner Sensoren, Internetverbindungen und sogar nativen APIs ausgestattet. Ein Smart Contract kann einige dieser Daten nutzen, um die Mietdauer festzulegen, die Fahrzeugtüren für den Mieter zu entriegeln, die Mietdauer aufzuzeichnen, die gefahrenen Kilometer zu berechnen, die verbleibende Batterieladung zu ermitteln und die Mietzahlungen zu automatisieren. Auf diese Weise können komplexe Mietverträge für „Smart Cars“ erstellt werden. Zusätzlich werden neue Versicherungsformen verfügbar sein, die auf der Grundlage von Aufprallsensoren im Fahrzeug ausgelöst werden, oder Versicherungsrabatte, die auf Metriken wie der pro Jahr gefahrenen Kilometer basieren.

    • Hausratversicherung

    Das zunehmende Phänomen des „Smart Home“ führt zur Verbreitung von Sensoren und fortschrittlichen Sicherheitssystemen, die Hausbesitzer und Notdienste automatisch über ungewöhnliche Ereignisse informieren. Diese Sensoren können über Chainlink-Orakel mit Smart Contracts verbunden werden, um neue parametrische Hausversicherungsprodukte zu schaffen. Sie können beispielsweise gebrochene Rohre, Feuer- und Rauchentwicklung, schlecht funktionierende Solarpaneele oder sogar Einbrüche erkennen, um einen direkteren Schutz durch das Alarmsystem des Versicherungsunternehmens zu ermöglichen.

    • Krankenversicherung

    Durch zahlreiche Fortschritte bei Biotech- und IoT-Wearables wie Smartwatches können Versicherungsunternehmen Smart Contracts erstellen, die Krankenversicherungsrabatte anbieten oder Strafen basierend auf den Gesundheitsdaten eines Patienten verhängen. Wichtige Datenpunkte könnten die zurückgelegte Strecke (Training), das Körpergewicht, die Herzfrequenz und möglicherweise fortschrittlichere biometrische Daten umfassen, sobald sie in Zukunft verfügbar sind. Chainlink-Orakel können auch Datenanomalien erkennen, die obligatorische Konsultationen auslösen können, um günstige Versicherungsbeiträge aufrechtzuerhalten.

    Nachhaltigkeit / Regenerative Landwirtschaft

    Hybride Smart Contracts, welche die Vorteile von On-Chain-Code mit Echtzeitdaten von IoT-Sensoren und Satellitenkommunikation kombinieren, bieten die Möglichkeit, transparente, vollständig rückverfolgbare und automatisierte Anreizsysteme zu schaffen. Diese Systeme können Einzelpersonen, Unternehmen und Regierungen direkt für ihre Bemühungen zur Förderung nachhaltiger Praktiken und den Kampf gegen den Klimawandel belohnen sowie seine schädlichen Auswirkungen mindern. Diese Anwendungen können die Schaffung von tokenisierten CO2-Kompensationen, Förderung regenerativer Landwirtschaft und Überwachung des Ressourcenverbrauchs umfassen, um diejenigen zu belohnen, die innerhalb ihrer Möglichkeiten bleiben.

    Diese Beispiele verdeutlichen, wie Ihre finanzielle Situation, Ihre Mobilität, Ihr Lebensumfeld, Ihr Arbeitsumfeld und sogar Ihr physisches Wohlbefinden in algorithmische Regeln eingebettet und in Smart Contracts integriert werden können. Betrachtet man dies visionär, könnte das Konzept von „Code is Law“ bald dazu führen, dass wesentliche Aspekte Ihrer Lebensgeschichte durch Smart Contracts auf magische Weise beeinflusst werden.

    3.8.2. Hinter den Kulissen – Behind the Scenes

    Chainlink pflegt eine enge Zusammenarbeit mit dem Weltwirtschaftsforum (WEF). In einem Artikel des WEF mit dem Titel „Das fehlende Bindeglied zwischen Blockchains und Unternehmen“ sowie in einem Whitepaper des WEF mit dem Titel „Überbrückung der Governance-Lücke: Interoperabilität von Blockchain und Legacy-Systemen“ wird die Technologie von Chainlink positiv hervorgehoben und beworben.

    Die Ethereum-Plattform wird von der Ethereum Foundation unterstützt, einer gemeinnützigen Organisation, die 2014 ins Leben gerufen wurde. Ihr Hauptanliegen ist die Entwicklung und Förderung der Ethereum-Plattform. Die Ethereum Foundation nimmt eine entscheidende Rolle ein, indem sie die Ethereum-Entwicklergemeinschaft unterstützt, Bildung und Forschung im Bereich Blockchain und Kryptowährungen fördert und die kontinuierliche Weiterentwicklung der Ethereum-Technologie vorantreibt.

    Die Ethereum Foundation und das Weltwirtschaftsforum (WEF) pflegen auch eine enge Zusammenarbeit. Aya Miyaguchi, geschäftsführende Direktorin der Ethereum Foundation, wurde 2019 in den Blockchain Global Council des WEF berufen. Gemeinsam arbeiten sie an verschiedenen Projekten, darunter die Frage, wie Blockchain-Prinzipien zur Verbesserung von Umwelt-, Sozial- und Governance-Systemen (ESG) beitragen können.

    Ein weiterer Berührungspunkt besteht mit der Firma ConsenSys. Joseph Lubin, der Gründer und CEO von ConsenSys, ist auch einer der Mitbegründer von Ethereum. ConsenSys ist als Partnerorganisation des Weltwirtschaftsforums gelistet. In einem White Paper von CosenSys „Zentralbanken und die Zukunft des digitalen Geldes / Ein Überblick und Vorschlag für eine digitale Zentralbankwährung auf der Ethereum-Blockchain“ kann man folgendes nachlesen:

    „Nach Angaben der Bank für Internationalen Zahlungsausgleich erwägen über 70 % der Zentralbanken die Ausgabe einer digitalen Währung auf einer Blockchain.

    CBDCs können eine Reihe von Vorteilen bieten. Sie können eine zentrale Rolle spielen, wenn es darum geht, die Revolution der digitalen Vermögenswerte auf regulierte, risikoärmere und vor allem zugängliche Weise voranzutreiben und dazu beitragen, dass die Finanzmärkte effizienter und für alle Bürger der Welt zugänglicher werden.

    CBDC können den Zentralbanken wirksamere, zukunftsorientierte Instrumente an die Hand geben, die es ihnen ermöglichen, die Geldpolitik auf direktere und innovativere Weise umzusetzen und mit dem technologischen Wandel Schritt zu halten. CBDCs könnten auch die Kosten für grenzüberschreitende Überweisungen vereinfachen und senken und gleichzeitig die Grundlage für effizientere und sicherere Interbankenzahlungsnetze bilden. Die Liste ließe sich fortsetzen.

    Im Folgenden geben wir sowohl einen Überblick über CBDC als auch ein konkretes Beispiel dafür, wie ein CBDC auf der Ethereum-Blockchain implementiert werden könnte. Wir sind der Meinung, dass Ethereum das am Besten geeignete Blockchain-Netzwerk für die Art von maximal sicheren, global ausgerichteten, interoperablen Abwicklungsplattformen ist, die CBDCs benötigen. Wir sind uns aber durchaus bewusst, dass es noch viele andere Möglichkeiten gibt.

    Wichtig ist, dass die Zentralbanken das Ausmaß der Veränderungen erkannt haben, die sich bei digitalen Währungen bereits vollziehen, und dass sie erkennen, wie wichtig es ist, eine wichtige Rolle bei der Herbeiführung dieses Wandels zu übernehmen.“

    Die Tatsache, dass man Distributed Ledger Technologie für die Lösung von essentiellen Aufgaben in einem zentralisierten Ledger-System avisiert, klingt wie ein Paradoxon. Aber mehr dazu in den nachfolgenden Kapiteln.

    3.9. Zwischenbilanz

    Kryptowährungen wurden 2009 als alternative, demokratische Option zum traditionellen Bank- und Finanzsystem vorgestellt, das als elitär wahrgenommen wird. Trotz dieser ambitionierten Vision sind die meisten Krypto-Projekte auf ein gemeinsames Problem gestoßen: die Anerkennung als geeignetes Zahlungsmittel in der realen Welt, die von Fiat-Währungen dominiert wird. Einige Kryptowährungen haben sich als äußerst volatil erwiesen, während die Netzwerke oft als langsam, umständlich und komplex für den Durchschnittsnutzer empfunden werden. Stablecoins hingegen werden sowohl wegen Bedenken hinsichtlich der Absicherung der zugrunde liegenden Kryptowährung als auch wegen regulatorischer Hürden, insbesondere bei Projekten wie Libra, skeptisch betrachtet.

    Dadurch entsteht jedoch eine ideale Testumgebung, um unterschiedliche Aspekte bei der Einführung verschiedener dezentraler digitaler Währungen weltweit zu erforschen, ohne das bestehende Finanzsystem wesentlich zu stören.

    Distributed Ledger Technologien, insbesondere die Blockchain, wurden in der Praxis erprobt und weiterentwickelt. Gleichzeitig wurde die Nutzung dezentraler digitaler Währungen durch digitale Geldbörsen weltweit von einer breiten Bevölkerung getestet. Das Konzept der Pseudonymität, das Privatsphäre schützt und gleichzeitig Transaktionen transparent macht, wurde eingeführt. Der Einsatz von virtuellen „Safe Assets“ als tokenisiertes Geld in wirtschaftlich schwierigen Situationen hat die Akzeptanz digitaler Währungen in betroffenen Regionen erheblich gesteigert und die Bevölkerung auf deren Nutzung vorbereitet.

    Smart Contracts wurden eingesetzt, um programmierbare Funktionen in komplexen Transaktionen einzuführen. Zusätzlich wurde eine entsprechende Infrastruktur aufgebaut, um Smart Contracts mit Echtzeitdaten aus der realen Welt zu versorgen, wodurch ihr Anwendungsbereich auch über die Krypto-Ökosysteme hinaus erweitert wurde.

    Gleichzeitig wurden auch entsprechende Analyse- und Überwachungstools erprobt und verbessert, um Regulierungsbehörden die erforderliche Datenextraktionstiefe zu bieten.

    Die Kryptowährungen haben dazu beigetragen, das Bewusstsein der Öffentlichkeit für den Umgang mit digitalen Währungen zu schärfen und die Wahrnehmung bezüglich der technologischen Entwicklung des Geldsystems positiv zu beeinflussen.

    Die Gestaltung von Central Bank Digital Currencies (CBDCs) wird stark von den technologischen Innovationen aus der Kryptowelt beeinflusst werden. In den folgenden Abschnitten wird dies genauer erläutert.

    4. CBDC – The Digital EURO – A New Star is Born

    In den vorherigen Kapiteln wurde betont, dass das aktuelle Fiat-Geldsystem vor vielschichtigen strukturellen und technologischen Herausforderungen steht. Die Einführung einer digitalen Zentralbankwährung (CBDC) wird als entscheidender Schritt angesehen, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Aktuell prüfen 134 Länder und Währungsunionen, die zusammen 98 % des weltweiten BIP ausmachen, die Einführung einer digitalen Zentralbankwährung.

    Es gibt zwei Arten von CBDC, die von Zentralbanken ausgegeben werden: „Großhandels-CBDC“ (Wholesale CBDC) und „Einzelhandels-CBDC“ (Retail-CBDC).

    Wholesale CBDC bezeichnet eine digitale Währung, die für große Finanzinstitute und institutionelle Anleger wie Geschäftsbanken und Zahlungsabwicklungsunternehmen gedacht ist. Diese Form von CBDC wird üblicherweise genutzt, um Interbanken-Transaktionen zu erleichtern oder als Abwicklungsmittel für den Großhandel zwischen Finanzinstituten zu dienen. Durch Wholesale CBDC können Zahlungs- und Abwicklungssysteme effizienter gestaltet werden, indem Transaktionen schneller, sicherer und kostengünstiger abgewickelt werden. Obwohl CBDC für Großkunden oft als neues Konzept dargestellt wird, ist digitales Zentralbankgeld für Großkundentransaktionen bereits seit Jahrzehnten verfügbar. Die Diskussion konzentriert sich daher nicht darauf, ob digitales Zentralbankgeld für Großkundentransaktionen eingeführt werden soll, sondern vielmehr auf mögliche technologische Veränderungen bei der Bereitstellung dieses Geldes.

    Im Gegensatz dazu ist Retail CBDC für den allgemeinen Gebrauch durch Einzelpersonen und Unternehmen gedacht, ähnlich wie physisches Bargeld oder digitales Geld auf einem Bankkonto. Einzelhandels-CBDC könnte es den Menschen ermöglichen, direkt mit der Zentralbank digitale Transaktionen durchzuführen, ohne die Notwendigkeit eines Bankkontos bei einer Geschäftsbank. Retail CBDC zielt darauf ab, den allgemeinen Zugang zu digitalen Zahlungsmitteln zu verbessern und die Nutzung digitaler Transaktionen durch Einzelpersonen und kleine Unternehmen zu fördern.

    In den folgenden Überlegungen werden wir uns auf den Digitalen Euro als Repräsentanten für CBDC konzentrieren.

    Im Juni 2021 kündigte die Europäische Zentralbank (EZB) den „Digitalen Euro“ an. Im Juli desselben Jahres begann die EZB die Untersuchungsphase des Projekts zum digitalen Euro. Diese Phase konzentrierte sich auf zentrale Fragen bezüglich der Gestaltung und Einführung eines möglichen digitalen Euros und beinhaltete die Entwicklung eines Prototyps. Die Untersuchungsphase erstreckte sich über etwa 24 Monate und endete im Oktober 2023. Am 18. Oktober 2023 beschloss der EZB-Rat, die Vorbereitungs- und Versuchsphase für den digitalen Euro einzuleiten. Diese Phase, die etwa drei Jahre dauern könnte, zielt darauf ab, die Grundlagen für einen möglichen digitalen Euro zu schaffen.

    Aus heutiger Sicht befinden wir uns noch mitten in diesem Prozess. Obwohl noch keine endgültigen Ergebnisse bezüglich der Gestaltung, Funktionalität und des genauen Einführungstermins des digitalen Euros vorliegen, lassen sich einige Trends deutlich erkennen.

    Es ist wichtig zu beachten, dass Wholesale CBDC und Retail CBDC, obwohl sie als eigenständige Projekte betrachtet werden können, in der Gesamtstrategie der EZB für digitale Währungen eng miteinander verbunden sind. Die technologische Architektur und Infrastruktur, die für die Wholesale-CBDC entwickelt wird, kann die Architektur des Retail-CBDC beeinflussen. Ein Verständnis der Funktionsweise der Wholesale-CBDC kann helfen, die technischen Aspekte des Retail-CBDC besser zu verstehen. Die Ziele und Funktionen einer Wholesale-CBDC können Einblicke in die Motivationen der Zentralbank geben und zeigen, wie diese mit einem Retail-CBDC zusammenhängen. Die Einführung einer Wholesale-CBDC kann das bestehende Finanzsystem erheblich beeinflussen, einschließlich Banken, Finanzmärkte und Zahlungsinfrastruktur. Ein Verständnis dieser Auswirkungen kann dazu beitragen, potenzielle Effekte auf das Retail-CBDC und die gesamte Finanzlandschaft einzuschätzen.

    4.1. Wholesale CBDC – Die Natur macht keinen Sprung (oder doch)

    Im Dezember 2020 erschien der Bericht „Geld in programmierbaren Anwendungen – Branchenübergreifende Perspektiven aus der deutschen Wirtschaft“ der Arbeitsgruppe „Programmierbares Geld“ der Deutschen Bundesbank. Zu den Initiatoren dieser Arbeitsgruppe gehörten Dr. Jens Weidmann, der damalige Präsident der Deutschen Bundesbank und Olaf Scholz, der damalige Bundesminister der Finanzen. Zu den Mitgliedern der AG „Programmierbares Geld“ gehörten neben Mitgliedern der Deutschen Bundesbank auch Vertreter der Deutsche Bank AG, Deutsche Börse AG, Landesbank Hessen-Thüringen, Landesbank Baden-Württemberg, IBM Deutschland, Siemens, VW, Bosch, SAP u.a.

    Die Arbeitsgruppe fasst die Ergebnisse ihrer Studie wie folgt zusammen:

    „Die digitale Transformation lässt neue Geschäftsmodelle entstehen und ändert bestehende Geschäftsprozesse grundlegend. Viele Prozesse werden in Zukunft noch viel automatisierter erfolgen. Die Distributed Ledger Technologie, auf der reale Güter und Dienstleistungen als Token abbildbar sind und digital gehandelt werden können, ermöglicht programmierbare, autonome und automatisierte Leistungsflüsse. Dadurch werden die gegenwärtigen Zahlungssysteme vor neue Herausforderungen gestellt. Inwieweit die Vorteile der digitalen Abwicklungstechnik realisiert werden können, hängt in hohem Maße davon ab, ob die dazugehörigen Geldflüsse gleichermaßen programmierbar werden und mit den Leistungsflüssen synchronisiert werden können.

    Denkbare Geschäftsfälle, für die es innovative Lösungen zur geldseitigen Abwicklung bedarf, basieren größtenteils auf der Distributed Ledger Technologie und können Smart Contracts enthalten, die die Ausführung der Geschäftsfälle steuern. Machine-to-Machine-Zahlungen, Internet-of-Things-Zahlungen und Pay-per-Use-Zahlungen sind beispielhafte Anwendungsfälle, die programmierbare Zahlungen für die geldseitige Abwicklung erfordern.

    Um die Nachfrage nach programmierbaren Zahlungslösungen erfüllen zu können, bedarf es deshalb neuer und innovativer Lösungen.

    Der größte Funktionsnutzen bei der Abwicklung programmierbarer Zahlungen wird tokenisiertem Geschäftsbankengeld und digitalem Zentralbankgeld beigemessen. Die noch ausstehende Entwicklung beider Zahlungslösungen bietet ausreichend Gestaltungsspielraum, den Bedarf zur Umsetzung programmierbarer Zahlungen umfassend zu berücksichtigen. Beide Lösungen eignen sich insbesondere aufgrund der zu erwarteten Glaubwürdigkeit ihrer Emittenten und der Anwendung innerhalb eines verbindlichen Rechtsrahmens als vertrauenssichernde Lösung zur Abwicklung programmierbarer Zahlungen.“

    Fazit:
    Die digitale Transformation revolutioniert die Arbeitsweise von Unternehmen. Viele Abläufe werden automatisiert, was bedeutet, dass sie von Maschinen eigenständig durchgeführt werden. Die Distributed Ledger Technologie (DLT) eröffnet die Möglichkeit, reale Güter wie Produkte oder Dienstleistungen als digitale Tokens abzubilden und über DLT-Netzwerke mittels Smart Contracts zu handeln. Diese Technologie ermöglicht automatisierte und programmierbare Zahlungen. Um solche Zahlungen zu ermöglichen, bedarf es einer neuen digitalen Form nicht nur für Zentralbankgeld bei Großkundentransaktionen, sondern auch für Geschäftsbankgeld. Damit diese Geldformen in DLT-Netzwerken repräsentiert und in Smart Contracts als Zahlungsmittel integriert werden können, müssen sie in tokenisierter Form vorliegen.

    In seinem Vortrag „Perspektiven für Wholesale CBDC im Euroraum“ im September 2023 unterstreicht Dr. Martin Diehl, Leiter der Abteilung „Analyse der Zahlungssysteme“ bei der Deutschen Bundesbank, erneut die Bedeutung der Zusammenführung von DLT-Systemen, tokenisierten Währungsformen und Wholesale CBDC für verschiedene Anwendungsfälle in der Realwirtschaft.

    Er betont, dass in einer Smart Economy die Ströme von Gütern, Geld und Informationen idealerweise automatisch und synchronisiert erfolgen sollten. Durch den Einsatz von DLT-Systemen können Abstimmungsprozesse durch die Nutzung einer gemeinsamen Datenbasis wegfallen. Smart Contracts können die automatisierte Abwicklung unterstützen. Der Zahlungsprozess soll als integraler Bestandteil des Gesamtprozesses fungieren.

    Abb. 38: Anwendungsfälle der Realwirtschaft, die auf DLT-Systemen abgebildet werden können

    Dieses Ziel ist mit den bestehenden Zahlungsabwicklungssystem der Europäischen Zentralbank (EZB) aufgrund von Kompatibilitätsproblemen nicht realisierbar.

    Abb. 39: Kompatibilitätsprobleme zwischen DLT-basierenden Anwendungsfällen und dem traditionellen Zahlungsabwicklungssystem der EZB

    TARGET steht für „Trans-European Automated Real-time Gross Settlement Express Transfer System“ und ist das Zahlungsabwicklungssystem der Europäischen Zentralbank (EZB). Es ist das Hauptinstrument für die Abwicklung von Euro-Zahlungen im Eurosystem, dem Rahmen, in dem die Geldpolitik für den Euroraum umgesetzt wird.
    Im Grunde genommen ist TARGET ein System, das es den Geschäftsbanken ermöglicht, untereinander Zahlungen in Echtzeit und in Euro abzuwickeln. Es dient der effizienten Abwicklung von Zahlungen zwischen den Banken im Euroraum, sowohl für ihre eigenen Transaktionen als auch für die ihrer Kunden.
    Das TARGET-System umfasst sowohl den sogenannten TARGET2-Mechanismus für die Abwicklung von Großbetragszahlungen als auch den TARGET2-Securities (T2S)-Mechanismus für die Abwicklung von Wertpapiertransaktionen.
    Für die meisten Menschen ist das TARGET-System im Alltag nicht direkt relevant, da es hauptsächlich von Banken genutzt wird. Es spielt jedoch eine entscheidende Rolle für die Stabilität und Effizienz des Finanzsystems im Euroraum, indem es einen sicheren und schnellen Mechanismus für den Austausch von Euro-Zahlungen zwischen den Banken bereitstellt.

    Die Deutsche Bundesbank prüft zwei Lösungsansätze. Eine Möglichkeit besteht darin, das Wholesale CBDC in tokenisierter Form direkt auf dem DLT-Netzwerk anzubieten, auf dem der Smart Contract ausgeführt wird.

    Im Rückblick auf die Ausführungen in Kapitel 3.3. wird daran erinnert, dass ein Token in der Welt der Blockchain eine digitale Einheit mit vielfältigen Funktionen ist. Es kann als Kryptowährung dienen, digitale Darstellungen von Fiat-Währungen auf Blockchain-Plattformen sein und für Transaktionen verwendet werden. Im Kapitel 3.6. wurde erläutert, wie ein Stablecoin als Token auf verschiedenen Blockchains unterstützt wird. In diesem Szenario verhält sich der tokenisierte Digitale Euro ähnlich einem „Stablecoin“ und wird für Transaktionen auf demselben DLT-Netzwerk verwendet, in dem der jeweilige Smart Contract ausgeführt wird. Die praktische Umsetzung dieser Lösung erscheint der Zentralbank aus heutiger Sicht jedoch äußerst anspruchsvoll.

    Die zweite Möglichkeit besteht darin, das Zentralbankgeld über eine noch zu definierende Schnittstelle sicher mit dem DLT-Netzwerk zu verknüpfen, auf dem der Smart Contract ausgeführt wird. Dieser Ansatz ähnelt der Logik, die im Kapitel 3.8.1. beschrieben wurde. Smart Contracts sind Verträge, die auf Daten basieren und von ihnen abhängig sind. Smart Contracts und Dapps, die auf einer Blockchain laufen, können direkt nur auf Daten zugreifen, die auf der Blockchain vorhanden sind. Im Blockchain-Kontext sind Oracle-Services externe Dienste oder Protokolle, die Smart Contracts mit Daten oder Informationen aus der realen Welt verbinden. Da Smart Contracts auf Blockchain-Plattformen nicht direkt auf externe Datenquellen zugreifen können, sind Oracle-Services erforderlich, um diese Lücke zu schließen. Oracle-Services fungieren als Vermittler zwischen der Blockchain und externen Datenquellen wie APIs, IoT-Geräten, traditionellen Datenbanken oder anderen Blockchain-Netzwerken. Sie sammeln und liefern Echtzeitdaten oder Ereignisse an Smart Contracts, damit diese auf Basis dieser Daten automatisch Aktionen ausführen können.

    Dieser Ansatz nutzt die vorhandene Infrastruktur des Finanzmarktes und wird von der Bundesbank als risikoarm und kurzfristig umsetzbar eingestuft. Die Finanzmarktinfrastruktur (FMI) existiert parallel zu den Distributed Ledger- oder Blockchain-Netzwerken, auf denen tokenisierte Assets im Rahmen von Smart Contracts gehandelt werden. Der Informationsaustausch zwischen dem DLT/Blockchain-Netzwerk und der FMI (z. B. Bank A / Bank B) erfolgt über eine sogenannte Trigger-Schnittstelle. Dadurch werden die Ereignisse in der Blockchain und der realen Welt miteinander synchronisiert. Diese Trigger-Schnittstelle fungiert als Oracle in Bezug auf das DLT/Blockchain-Netzwerk.

    Abb. 40: Trigger-Lösung als sichere „Oracle“-Schnittstelle zwischen der „Asset-Chain“ mit dem Smart Contract und dem Bank-Ökosystem

    Ein Trigger ist eine bestimmte Bedingung oder ein Ereignis, das eine vordefinierte Reaktion in einem Finanzprodukt oder einem Risikomanagement-System auslöst.

    Ein Asset (Vermögenswert) ist ein wirtschaftlicher Wert oder eine Ressource, die einem Unternehmen, einer Person oder einer Organisation einen Nutzen oder einen Anspruch auf zukünftigen Nutzen bietet. Assets können verschiedene Formen annehmen und werden oft in unterschiedlichen Kontexten verwendet, einschließlich Finanzen, Wirtschaft und Rechnungswesen. Hier sind einige Beispiele für verschiedene Arten von Assets, die in dem oben dargestellten Beispiel eine Rolle spielen können:

    Materielle Assets: Dies sind physische Vermögenswerte, die einen materiellen Wert haben und für die Produktion von Gütern und Dienstleistungen verwendet werden können. Beispiele hierfür sind Grundstücke, Gebäude, Maschinen, Ausrüstung, Fahrzeuge und Inventar.

    Immaterielle Assets: Diese umfassen nicht-physische, aber dennoch wertvolle Vermögensgegenstände, die auf geistigem Eigentum basieren oder andere nicht-physische Rechte repräsentieren. Beispiele hierfür sind Patente, Urheberrechte, Marken, Lizenzen, Software, Geschäftsgeheimnisse und Kundenbeziehungen.

    Natürliche Assets: Diese beziehen sich auf natürliche Ressourcen wie Land, Wasser, Luft, Mineralien, Öl, Gas und erneuerbare Energien, die einen wirtschaftlichen Wert haben und für die Produktion und den Konsum von Gütern und Dienstleistungen genutzt werden können.

    Assets spielen eine wichtige Rolle bei der Bewertung von Unternehmen, der Vermögensallokation, der Bilanzierung und der finanziellen Planung. Sie sind entscheidend für die Wertschöpfung und den Erfolg von Organisationen und dienen als Grundlage für Investitionen, Kreditvergabe und Risikomanagement.

    Die Devise der Deutschen Bundesbank lautet: „Natura non facit saltum“. Das bedeutet wörtlich übersetzt „Die Natur macht keinen Sprung“. Diese Phrase stammt aus der Biologie und bezieht sich auf die Vorstellung, dass Veränderungen in der Natur allmählich und schrittweise erfolgen, anstatt plötzlich und sprunghaft. Es betont die Idee der Kontinuität und allmählichen Entwicklung in natürlichen Prozessen und Systemen.

    Diese Logik spiegelt sich nur teilweise in dem EZB-Beitrag „Zentralbankgeldabwicklung von Großhandelstransaktionen angesichts technologischer Innovationen“ vom August 2023 wider. Dort kann man Folgendes lesen:

    „Das Eurosystem analysiert die potenziellen Auswirkungen neuer Technologien, einschließlich der Distributed-Ledger-Technologie (DLT), auf die Abwicklung von Großkunden-Finanztransaktionen. 

    Die Mehrheit der vom Eurosystem befragten Marktteilnehmer rechnet mit einer signifikanten Einführung der DLT im Großkundenzahlungsverkehr und in der Wertpapierabwicklung, wobei ein Zeithorizont von fünf bis zehn Jahren angegeben wird.

    Viele Marktteilnehmer geben an, dass sie in Ermangelung einer DLT-kompatiblen Zentralbankgeld-Abwicklungslösung nach Alternativen suchen würden. In einer solchen Situation könnten die Marktteilnehmer die Verwendung alternativer Abwicklungsmittel in Betracht ziehen, z. B. Geschäftsbankgeld oder Stablecoins. Solche Alternativen würden nicht das gleiche Maß an Sicherheit bieten wie Zentralbankgeld. Ein teilweiser Umstieg von Zentralbankgeld auf andere Abwicklungsmittel könnte auch die Liquiditätsfragmentierung verstärken und sich negativ auf die Finanzstabilität auswirken.

    Gleichzeitig argumentieren einige Marktteilnehmer, dass die Geschwindigkeit der DLT-Einführung, wenn nicht gar ihr Erfolg, bis zu einem gewissen Grad von der Beteiligung der Zentralbanken abhängen könnte. Die Möglichkeit, Transaktionen in Zentralbankgeld abzuwickeln, könnte für bestimmte Marktteilnehmer eine Voraussetzung sein, die sie von der Einführung der DLT abhält, solange es keine geeignete Lösung für die Abwicklung in Zentralbankgeld gibt. Darüber hinaus könnte die Beteiligung der Zentralbanken als Unterstützung für DLT als Innovation im Bereich der Finanzdienstleistungen wahrgenommen werden.

    Sollte sich die Nutzung von DLTs für Großkunden-Finanztransaktionen durchsetzen, könnte das Eurosystem unter anderem reagieren, indem es den DLT-Plattformen des Marktes eine reibungslose Interaktion mit den auf der bestehenden Technologie basierenden Infrastrukturen des Eurosystems ermöglicht oder Zentralbankgeld in einer neuen Form zur Verfügung stellt, die auf einer DLT-Plattform erfasst und übertragen werden kann. Diese Antworten schließen sich nicht gegenseitig aus.

    Diese neuen Lösungen können, müssen aber nicht, die Bereitstellung von Zentralbankgeld in Form von DLT-Tokens beinhalten.

    Die Bereitstellung einer neuen Lösung des Eurosystems für die Abwicklung von DLT-basierten Transaktionen in Zentralbankgeld darf nicht zu Lasten der Kontrolle des Eurosystems über das von ihm ausgegebene Zentralbankgeld gehen.“

    Die EZB hat mit der Analyse und Erprobung von vier konzeptionellen Lösungsvorschlägen begonnen.

    Abb. 41: Konzeptionelle Lösungen für die Abwicklung von Zentralbankgeld für Großhandelstransaktionen, die auf DLT-Plattformen registriert sind. [EUROPEAN CENTRAL BANK]
    Hinweise: Blaue Linien, Punkte und Symbole stehen für Zentralbankgeld (CeBM). Violette Linien, Punkte und Symbole stehen für Wertpapiere.

    Die erste Möglichkeit (1) nutzt die bestehende Finanzmarktinfrastruktur (siehe Abb. 41). Die zweite Option (2) setzt auf ein separates Distributed Ledger Technology (DLT)-Netzwerk, das mit tokenisiertem Zentralbankgeld arbeitet und über eine „Oracle“-Schnittstelle mit dem externen DLT-Netzwerk verbunden ist, auf dem der Smart Contract ausgeführt wird. Die Optionen (3) und (4) setzen auf einen „einheitlichen“ Ledger, bei dem CBDC- und Wertpapier-Token direkt mit dem Smart Contract verbunden sind. Der Unterschied zwischen den Optionen liegt darin, wer das DLT-Netzwerk betreibt.

    Im Vergleich zur Deutschen Bundesbank geht die Europäische Zentralbank (EZB) offensiver mit der Evaluierung von möglichen Lösungen um.

    Fazit:
    In den kommenden 10 Jahren wird der Einsatz und die Nutzung von DLT-Plattformen sowohl in der Wirtschaft als auch im Finanzsektor signifikant an Bedeutung gewinnen. CBDC wird zunehmend als Bestandteil von Smart Contracts integriert, die auf DLT-Plattformen laufen. Kurz- bis mittelfristig wird diese Integration über eine „Oracle-ähnliche“ Schnittstelle zwischen der bestehenden Finanzmarktinfrastruktur der Zentralbanken und externen DLT-Plattformen erfolgen (Trigger-Lösung). Mittel- bis langfristig kann die Europäische Zentralbank (EZB) zusätzlich eine eigene DLT-Plattform einführen und ein Zentralbankgeld- (Digital Euro-) Token zur Verfügung stellen, um die Anbindung an Smart Contracts zu ermöglichen.

    An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die DLT-Plattformen, die in der Realwirtschaft und in dem Finanzsektor zum Einsatz kommen, nicht mit den Blockchain-Plattformen aus dem Kryptowährung-Ökosystem identisch sind.  Es handelt sich in erster Linie um „permissioned“ oder „zentralisierte“ DLT-Systeme sind. In dieser Art von DLT/Blockchain sind die Teilnehmer oder Knoten, die das Netzwerk betreiben und Transaktionen validieren, nicht für jeden offen, sondern werden durch bestimmte Berechtigungen kontrolliert.

    Im Gegensatz zur „permissionless“ oder „dezentralisierten“ Blockchain, wie sie zum Beispiel bei Bitcoin oder Ethereum verwendet wird, bei der jeder ohne Einschränkungen am Netzwerk teilnehmen kann, erfordert eine permissioned oder zentralisierte Blockchain eine Genehmigung oder Erlaubnis, um Knoten im Netzwerk zu betreiben und Transaktionen zu validieren.

    In einem permissioned Blockchain-Netzwerk können die Berechtigungen je nach den Anforderungen und Vereinbarungen der Teilnehmer variieren. Zum Beispiel kann ein Unternehmen oder eine Organisation ein permissioned Blockchain-Netzwerk einrichten, bei dem nur ausgewählte Parteien Zugang haben, um Transaktionen durchzuführen und Blöcke zu validieren. Diese Art von Blockchain wird oft in privaten oder unternehmensinternen Anwendungen verwendet, wo Datenschutz und Kontrolle über das Netzwerk wichtig sind.

    In diesem Fall liegt der Schwerpunkt primär auf der Effizienzsteigerung und Aufwandreduzierung insbesondere bei Interbank-Transaktionen, Wertpapierabwicklung und grenzüberschreitenden Transaktionen sowie der Verbesserung der Transparenz und Kontrolle der Aktionen der autorisierten Teilnehmer. Es geht weniger um ein hohes Maß an Offenheit oder echte Dezentralisierung.

    4.2. Commercial Bank Money Token (CBMT) – Wer nicht mit der Zeit geht, geht mit der Zeit

    Im Zuge der Einführung von tokenisiertem Wholesale CBDC im bestehenden Fiat-Bankensystem wird es voraussichtlich auch zu Veränderungen im Geschäftsbankgeld kommen. Einerseits wird von den Geschäftsbanken erwartet, dass sie sicherstellen, dass Geschäftsbankgeld jederzeit in Zentralbankgeld im Verhältnis 1:1 umgewandelt werden kann. Andererseits wird die Zahl der traditionellen Unternehmenskunden, die sich einer digitalen Transformation unterziehen und Teil der neuen „Smart Economy“ werden, voraussichtlich zunehmen.

    Der Begriff Smart Economy bezieht sich auf eine Wirtschaft, die durch den Einsatz von modernen Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) sowie innovativen Technologien wie Blockchain, künstlicher Intelligenz (KI) und dem Internet der Dinge (IoT) unterstützt wird. Diese Technologien werden genutzt, um Prozesse effizienter, transparenter, sicherer und interoperabler zu gestalten.
    In einer „Smart Economy“ nutzen Unternehmen und Regierungen digitale Technologien, um die Effizienz und Produktivität zu steigern, innovative Dienstleistungen anzubieten und neue Geschäftsmodelle zu entwickeln. Dies kann beispielsweise den Einsatz von Big Data-Analyse, Cloud-Computing, Internet of Things (IoT) und maschinellem Lernen umfassen, um intelligente Lösungen für verschiedene Branchen wie Gesundheitswesen, Bildung, Transport, Energie und Finanzen zu schaffen.
    Kurz gesagt, die „Smart Economy“ bezieht sich auf eine Wirtschaft, die sich durch die intelligente Nutzung von digitalen Technologien und Daten auszeichnet, um das Wachstum, die Innovation und die Lebensqualität zu fördern.

    Um den neuen Anforderungen gerecht zu werden, muss sich das vorhandene Geschäftsbankengeld den Technologien der Industrie 4.0 anpassen. Dadurch kann es ein integraler Bestandteil der Wertschöpfungsketten der Industrie werden und das Potenzial der Technologie im Bankensektor nutzen. Diese neue technologische Darstellung von Geschäftsbankengeld wird „Commercial Bank Money Token“ (CBMT) genannt. Ein CBMT repräsentiert nach wie vor Geschäftsbankgeld mit all seinen Merkmalen und Dienstleistungen, die von den Banken angeboten werden. Es kann jedoch auch neue und zusätzliche Funktionalitäten ermöglichen, die Distributed-Ledger-Technologie (DLT) nutzt.

    Der Ausschuss der Deutschen Kreditwirtschaft hat in seinem „Arbeitspapier zum Commercial Bank Money Token“ vom März 2023 die Notwendigkeit der Einführung von Geschäftsbankgeld-Tokens (CBMT) bestätigt und einen Entwurf für die Gestaltung und Einführung von CBMTs vorgestellt.

    Das Ziel der Geschäftsbanken ist es, ihren Kunden (Unternehmen und Privatpersonen) Finanzdienstleistungen anzubieten, die auf Smart Contracts basieren. Die Grundidee besteht darin, dass Kunden der Geschäftsbanken einen Teil ihrer elektronischen Kontoguthaben in tokenisierter Form umwandeln können, um damit Zahlungstransaktionen im Rahmen von Smart Contracts durchzuführen. Der Transfer von Guthaben zwischen der traditionellen elektronischen Form und der tokenisierten Form soll transparent und im Verhältnis 1:1 erfolgen. Eine detaillierte Beschreibung zu diesem Thema findet man in dem oben genannten Arbeitspapier.

    In Ihrem Positionspapier „Der digitale Euro: Hintergrundinformationen und Bewertung der jüngsten Diskussionen. Überprüfung der EZB-Grundsätze für einen digitalen Euro und ihre Auswirkungen auf unser duales Währungssystem“ vom Juni 2023 fasst der Ausschuss der Deutschen Kreditwirtschaft die Geldarten in dem Geldsystem der Zukunft wie folgt zusammen:

    Abb. 42: Neue und bestehende Geldarten für ein Geldsystem der Zukunft

    In dem neuen Geldsystem erhalten alle heute verfügbaren Geldformen des Fiatsystems einen digitalen Zwilling. Dies ist im Einklang mit den Vorstellungen der Bank für Internationalen Zahlungsausgleich (BIS).

    Blaupause für das künftige Geldsystem:
    Altes verbessern, Neues ermöglichen

    Die Bank for International Settlements (BIS) wird oft als „Bank der Zentralbanken“ bezeichnet. Wenn man die Rolle der BIS metaphorisch beschreiben möchte, könnte man sie als eine Art zentralen Koordinator für alle Zentralbanken betrachten. Daher ist es sinnvoll, sich genauer mit den Vorstellungen der BIS über das zukünftige Geldsystem auseinanderzusetzen. Diese kurze Videobotschaft vom Juni 2023 beschreibt die BIS-Vision zu diesem Thema sehr deutlich.

    Das Ziel der BIS ist die Etablierung eines Unified Ledger (Einheitliches Hauptbuch). Ein einheitlicher Ledger bezieht sich auf eine einzige Datenbank oder Buchführung, die von einer zentralen Autorität verwaltet wird und von verschiedenen Parteien gemeinsam genutzt werden kann. Bei dem Unified Ledger soll es sich um eine programmierbare Plattform handeln, auf der Geld und Vermögenswerte digital als Token dargestellt werden. Ein einheitlicher Ledger mit CBDCs kann laut BIS die Verknüpfung verschiedener Elemente des Finanzsystems erleichtern, indem Zentralbankgeld am selben Ort wie andere tokenisierte Forderungen gespeichert werden. Damit können komplexe Transaktionen mit dem tokenisierten Geld und den tokenisierten Vermögenswerten automatisiert werden ohne die Notwendigkeit, einzelne Schritte separat zwischen verschiedenen Datenbanken abgleichen zu müssen, da alle notwendigen Elemente in einer einheitlichen Datenbank liegen.

    Abb. 43: Die BIS-Vision von der Einheitlichkeit des zukünftigen Finanzsystems [BIS]

    Diese Vision spiegelt sich in den EZB-Lösungsvorschlägen – Option (3) und Option (4) wider (siehe Abb. 41).

    Ein Token in der BIS-Welt besteht aus zwei grundlegenden Schichten: Informationen über den „Asset“ (z. B.  eindeutige Identifizierung, Eigentümer, Verwahrstelle, Herkunft, Wert, etc.) und Regeln (was der Vermögenswert tun kann und was nicht, z. B. zur Verwendung in Smart Contracts).

    Abb. 44: Die Token-Definition nach BIS [BIS]

    Der Begriff „Vermögenswert“, auch als „Asset“ bekannt, wurde bereits im Zusammenhang mit Abb. 40 erklärt. Zusätzlich zu den dort aufgeführten Asset-Formen kommen in der Definition von BIS die finanziellen Assets hinzu.

    Finanzielle Assets: Diese umfassen Vermögenswerte, die einen monetären Wert haben und auf den Finanzmärkten gehandelt werden können. Beispiele hierfür sind Bargeld, Bankguthaben, Aktien, Anleihen, Investmentfonds, Derivate und andere Finanzinstrumente.

    Der Prozess der Tokenisierung solcher Vermögenswerte wird durch sogenannte Rampen durchgeführt. Diese Rampen definieren eine Verbindung zwischen Vermögenswerten in herkömmlichen Datenbanken und ihren digitalen Versionen (siehe Abb. 45). Die Vermögenswerte in der herkömmlichen Datenbank werden „gesperrt“ und dienen als Sicherheit für die digitalen Tokens, die auf der programmierbaren Plattform ausgegeben werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Übertragung der digitalen Tokens auch die Übertragung der echten Vermögenswerte garantiert. Wenn Sie also einen Token besitzen, gehört Ihnen auch das reale Vermögen, das er darstellt.

    Abb. 45: Der Prozess der Tokenisierung von Assets [BIS]

    Aus Sicht der Bank for International Settlements (BIS) besteht das einheitliche Ledger aus zwei Hauptbereichen: der Datenumgebung und der Ausführungsumgebung. In diesen Bereichen gelten spezifische Regeln, Standards und Governance. Die Datenumgebung beherbergt Geld, Vermögenswerte und Informationen, die entweder intern oder extern zum Ledger sind. Jedes dieser Elemente ist in Partitionen unterteilt, die den Besitz oder Zugriff regeln. Die Ausführungsumgebung führt Operationen aus, die diese Elemente betreffen, entweder direkt durch Nutzer oder durch intelligente Verträge (Abb. 46).

    Abb. 46: Das einheitliche Hauptbuch (Unified Ledger) nach den Vorstellungen von BIS. (Das Vorhängeschloss zeigt an, dass einige Operationen vertrauliche verschlüsselte Daten betreffen können.) [BIS]

    Der Begriff „Governance“ bezieht sich auf die Art und Weise, wie Organisationen oder Systeme gelenkt, geleitet und kontrolliert werden. Es umfasst die festgelegten Regeln, Verfahren, Richtlinien und Mechanismen, die sicherstellen sollen, dass eine Organisation oder ein System effektiv, transparent, verantwortungsvoll und im besten Interesse aller Beteiligten agiert.

    In einem breiteren Kontext kann Governance auch die Art und Weise beschreiben, wie Entscheidungen getroffen, Ressourcen verwaltet und Verantwortlichkeiten zugewiesen werden. Dies kann sich auf verschiedene Ebenen erstrecken, einschließlich Regierungsführung auf nationaler oder internationaler Ebene, Unternehmensführung in Unternehmen oder Organisationen, und Selbstverwaltung in Gemeinschaften oder Gruppen.

    Eine gute Governance beinhaltet oft Merkmale wie Rechenschaftspflicht, Transparenz, Partizipation, Integrität und Effizienz. Es geht darum, sicherzustellen, dass Entscheidungen fair und im Einklang mit den Zielen und Werten der Organisation getroffen werden und dass die Interessen aller Stakeholder angemessen berücksichtigt werden. In Unternehmen kann eine starke Governance die Vertrauenswürdigkeit erhöhen, das Risiko von Fehlverhalten reduzieren und das langfristige Wachstum und die Nachhaltigkeit fördern.

    Eine wichtige Frage bezieht sich auf die Bandbreite des Hauptbuchs. Laut der Bank for International Settlements (BIS) schließt das Konzept eines einheitlichen Hauptbuchs nicht aus, dass es separate Hauptbücher für unterschiedliche Anwendungsfälle gibt. Die BIS geht jedoch davon aus, dass es in der Praxis zunächst wahrscheinlich auf spezifische Anwendungen angewendet wird, wo die unmittelbaren Vorteile am deutlichsten sind. Beispielsweise könnte ein Hauptbuch darauf abzielen, die Abwicklung von Wertpapieren zu verbessern und nur relevante Parteien einzubeziehen, während ein anderes sich auf Handelsfinanzierungen konzentrieren könnte, z. B. in der Schifffahrtsbranche. Im Laufe der Zeit könnte sich der Anwendungsbereich des Hauptbuchs durch die Einbeziehung weiterer Vermögenswerte und Unternehmen ausweiten. Letztendlich wird die Ausdehnung des Hauptbuchs durch die spezifischen Bedürfnisse und Einschränkungen einzelner Länder beeinflusst.

    Natura non facit saltum – Die Natur macht keinen Sprung. Die Natur ist jedoch ständig im Wandel.

    Die voranschreitende globale Vernetzung durch Technologien wie 5G, 6G und das Internet der Dinge (IoT), zusammen mit der Einführung immer leistungsfähigerer Technologien, die zunehmend auf KI-Algorithmen basieren, verändert allmählich verschiedene Aspekte unseres Lebens. Die Devise „schneller, weiter, höher“ treibt diesen Wandel voran und führt zu einer Transformation der Wirtschaft in eine „Smart Economy“, der Städte in „Smart Cities“, der Immobilien in „Smart Buildings/Homes“ und der Autos in „Smart Cars“. Diese umfassende „Smartness“ ermöglicht es, immer mehr Vermögenswerte in die Datenumgebung eines einheitlichen Ledgers einzubeziehen und bei Bedarf entsprechende Governance-Mechanismen anzuwenden.

    Zwischen dem Konzept des „Unified Ledgers“ der BIS und der Ethereum-Welt (Kapitel 3.8.) lassen sich einige Parallelen erkennen. In beiden Fällen interagieren Benutzer in einer programmierbaren Umgebung mit Smart Contracts, um Transaktionen mit Tokens auszuführen, die die vordefinierten Bedingungen erfüllen. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, führt der Smart Contract automatisch die entsprechenden Aktionen in der Ethereum-Blockchain aus.

    Während Ethereum den Grundsatz „Code is Law“ betont, spricht die BIS von Governance. Die Ethereum Foundation bezeichnet Ethereum als Protokoll für menschliche Koordination. Das einheitliche Hauptbuch wird als perfekte Grundlage für nahtlose Operationen mit Vermögenswerten propagiert.

    Die Interaktion des Unified Ledgers mit externen Informationen erinnert weiterhin an den Ansatz von Chainlink (Kapitel 3.8.1.). Ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch darin, dass es sich bei BIS, EZB und ähnlichen Institutionen um zentralisierte permissioned Architekturen handelt, was bestimmte Risiken mit sich bringt.

    Fazit:
    Die Tokenisierung wird nicht nur das Großhandels-CBDC umfassen, sondern auch Geschäftsbankgeld einbeziehen. Dadurch wird das Thema nicht nur große Finanzinstitutionen, sondern auch die breite Öffentlichkeit betreffen. Es ist wahrscheinlich, dass dies zunächst in Business-to-Business (B2B) Transaktionen angewendet wird und dann nahtlos das Business-to-Customer (B2C) Umfeld erreicht.

    Der Begriff Business-to-Business (B2B) bezieht sich auf Transaktionen, die zwischen zwei Unternehmen stattfinden. Zum Beispiel, wenn ein Unternehmen Computerhardware von einem anderen Unternehmen kauft, wäre das eine B2B-Transaktion.

    Der Begriff Business-to-Consumer (B2C) bezeichnet Transaktionen, bei denen ein Unternehmen direkt Produkte oder Dienstleistungen an Verbraucher verkauft. Zum Beispiel, wenn Sie ein Paar Schuhe online von einem Einzelhändler kaufen, ist das eine B2C-Transaktion.

    In einfachen Worten ausgedrückt: B2B sind Geschäfte zwischen Unternehmen, während B2C Geschäfte zwischen einem Unternehmen und einem Verbraucher sind.

    In dem Dokument „Blueprint for the future monetary system: improving the old, enabling the new“ äußert sich die BIS zum Thema Retail-CBDS wie folgt:

    „Zu den verbesserten digitalen Darstellungen von Zentralbankgeld könnte eine Einzelhandelsvariante gehören, die von normalen Nutzern verwendet werden kann. Ein CBDC für Privatkunden ist eine digitale Version des physischen Bargelds, die von Haushalten und Unternehmen für alltägliche Transaktionen verwendet werden kann. Indem die Zentralbank der Öffentlichkeit eine einfache Möglichkeit bietet, alternative private digitale Währungen (wie z. B. digitale Einlagen bei Geschäftsbanken) in digitales Bargeld umzuwandeln, d.h. eine direkte Verbindung zur staatlichen Rechnungseinheit in digitaler Form, würde sie die Einheitlichkeit weiter fördern.“

    4.3. Retail-CBDC – Heaven Is a Place on Earth

    Obwohl das Retail-CBDC nur einen Teil des zukünftigen tokenisierten Finanzsystems darstellt, steht es im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit und ist Gegenstand kontroverser Diskussionen. Verbraucher befürchten das Verschwinden von Bargeld, während Banken um ihre Geschäftsmodelle und letztlich die Finanzierung der Realwirtschaft besorgt sind.

    Heutzutage nutzen die meisten Menschen Bargeld und digitales Geschäftsbankgeld, auch bekannt als Giralgeld, für den Austausch von Waren und Dienstleistungen. Sie sind mit diesen beiden Geldformen bestens vertraut. Es wird nicht leicht sein, ihr Verhalten und ihre Gewohnheiten im Umgang mit Geld zu ändern.

    Für den Erfolg des CBDC ist breite öffentliche Unterstützung unerlässlich. Verbraucher und Händler werden letztendlich die Endnutzer sein. Das CBDC wird sich nicht durchsetzen, wenn sie nicht von seinen Vorteilen überzeugt sind. Die Aufklärung der Öffentlichkeit über die Vor- und Nachteile des CBDC wird entscheidend sein, um alle Beteiligten einzubeziehen.

    Obwohl die Vorbereitungs- und Versuchsphase der Europäischen Zentralbank (EZB) erst in den kommenden Jahren abgeschlossen wird, läuft die Werbekampagne langsam auf Hochtouren. Einige der Argumente, mit denen die EZB die Öffentlichkeit vom digitalen Euro überzeugen will, sind in dem Werbefilm „The Digital Euro – Easy, Safe, Fast, Reliable“ zusammengefasst:

    Bargeld, Geschäftsbankgeld und der digitale Euro (nach seiner Einführung) erfüllen als gesetzliche Zahlungsmittel die grundlegenden Funktionen des Geldes: Sie dienen als Mittel zur Wertaufbewahrung, zum Tausch und als Rechnungseinheit. Damit diese Zahlungsmittel von einer breiten Bevölkerung akzeptiert werden, müssen sie zusätzlich wichtige Eigenschaften wie Privatsphäre, Zugänglichkeit, Sicherheit, Bequemlichkeit, Benutzerfreundlichkeit und Kosteneffizienz bieten. Es ist wichtig zu bedenken, dass das Vertrauen in die Stabilität des Geldes von entscheidender Bedeutung ist. Dieses Vertrauen kann jedoch schnell schwinden, insbesondere in Zeiten wirtschaftlicher oder politischer Instabilität.

    Der Erfolg des digitalen Euro als Retail-CBDC hängt davon ab, wie er sich in Bezug auf Bargeld und Geschäftsbankgeld positioniert und dabei die oben genannten zusätzlichen Eigenschaften berücksichtigt. Im Folgenden werden die drei Geldformen unter diesem Gesichtspunkt verglichen, wobei wir zunächst mit dem aktuellen Status Quo beginnen.

    Physisches Bargeld vs. Digitales Privatbankgeld
    – ein Vergleich aus der Sicht des Endverbrauchers –
    „Fasse niemals ein laufendes System an. – Never touch a running system.“

    Datenschutz/Privatheit

    Digitales Geld und die damit verbundenen Transaktionen hinterlassen digitale Spuren. Relevante Informationen werden von den entsprechenden Banken, Kreditkartenunternehmen und privaten Betreibern von Zahlungssystemen erfasst. Behörden haben ebenfalls leichten Zugang zu diesen Daten, insbesondere wenn sie Verdachtsfälle von Steuerhinterziehung, Geldwäsche, Terrorismusfinanzierung oder anderen illegalen Aktivitäten gemäß den geltenden Gesetzen verfolgen. Daher ist es nicht möglich, denselben Grad an Anonymität wie bei Bargeld zu erreichen.

    Auf der anderen Seite wird die Verwendung von Bargeld für finanzielle Transaktionen in vielen Ländern zunehmend durch gesetzliche Vorschriften eingeschränkt. Gemäß der aktuellen EU-Regelung sind Bargeldzahlungen nur noch bis zu einem Betrag von 10.000 Euro erlaubt. Für Bargeldtransaktionen zwischen 3.000 und 10.000 Euro erfordert die neue Regelung einen Identitätsnachweis sowie einen Nachweis über die Herkunft des Geldes. Diese Daten müssen von Händlern und Institutionen erfasst und gespeichert werden.

    In normalen Zeiten haben viele Menschen kein Problem damit, ihre Privatsphäre aufzugeben, um Verbrechen und Terrorismus zu bekämpfen. Doch erinnern wir uns an die Ereignisse in Hongkong im Jahr 2019, als politische Demonstranten Schlange standen, um ihre U-Bahn-Fahrscheine bar zu bezahlen. Die Demonstranten äußerten ihre Bedenken, dass ihre Kartendaten zurückverfolgt und als Beweismittel gegen sie verwendet werden könnten, sollten sie von der Polizei angeklagt werden – ähnlich wie es gegen führende Vertreter der pro-demokratischen Regenschirmbewegung im Jahr 2014 geschah. Das zeigt, dass Menschen in autoritären Regimen plötzlich die Bedeutung des Bargelds erkennen können.

    Zugänglichkeit

    Bargeld ist äußerst einfach zu bekommen. Um es zu haben, müssen Sie nur jemanden finden, der es Ihnen gibt.

    Wenn Sie jedoch auf digitales Geld zugreifen möchten, benötigen Sie eine Bankkarte. Dafür müssen Sie die Bank davon überzeugen, dass Sie die Person sind, für die Sie sich ausgeben, indem Sie Ihren Ausweis vorlegen und versichern, dass Sie die Karte nicht für illegale Zwecke verwenden werden. Für die meisten von Ihnen mag das keine Probleme bereiten, aber Forschungsdaten zeigen, dass im Jahr 2021 etwa 4% der Bevölkerung in der EU immer noch kein Bankkonto besaßen. In Schwellen- und Entwicklungsländern ist dieser Prozentsatz deutlich höher.

    Besonders beunruhigend ist, dass es eine Reihe von Fällen gab, in denen Menschen ihr Bankkonto verloren haben. Ein Beispiel dafür ist das Vereinigte Königreich, wo der umstrittene Politiker Nigel Farage vorübergehend sein Bankkonto verlor, weil seine „Werte“ nicht mit denen der Bank übereinstimmten. In Kanada wurden private Banken von der Regierung dazu gedrängt, die Konten von Lastwagenfahrern einzufrieren, die gegen die Covid-19-Impfung protestierten.

    Obwohl Bankkonten für die meisten zugänglich sind, bleiben sie für viele Menschen unerreichbar, und es besteht die reale Gefahr, unter bestimmten Umständen den Zugang zu ihnen zu verlieren.

    Sicherheit

    In Bezug auf Sicherheit herrscht ein Gleichstand.

    Einerseits birgt das Mitführen von viel Bargeld das Risiko von Diebstahl oder Verlust. Andererseits ist auch Bankbetrug eine potenzielle Bedrohung.

    Wenn jedoch eine Finanzkrise eintritt, erkennen die Menschen oft erneut, dass digitales Privatbankgeld letztlich nur ein Versprechen darstellt, physisches Zentralbankgeld zu bezahlen.

    Bargeld wird direkt von der Zentralbank ausgegeben und ist physisch vorhanden. Es wird durch die Autorität der Zentralbank gedeckt. Das Vertrauen der Öffentlichkeit in die Zentralbank und die Stabilität der Währung spielen eine wichtige Rolle bei der Deckung von Bargeld. Wenn die Zentralbank als vertrauenswürdig gilt und die Währung stabil ist, wird das Bargeld automatisch akzeptiert und erhält einen inneren Wert.

    Die Sicherheit von privatem Digitalgeld hängt stark von der finanziellen Stabilität der Geschäftsbanken ab. Wie im Kapitel 2.2.1. beschrieben, leihen die Banken einen Großteil ihrer Kunden-Einlagen an andere Kunden aus und behalten nur einen Teil davon für mögliche Abhebungen vor (Mindestreserve). Um einen Großteil dieser Einlagen im Falle eines Bankausfalls zu schützen, zahlen die Banken in einen Sicherungsfonds ein, der auch als Einlagensicherungssystem bekannt ist. Nach der Finanzkrise 2007-2008 wurden auf EU-Ebene lediglich bestimmte Mindeststandards festgelegt, wie beispielsweise der Schutz von Einlagen in Höhe von 100.000 € pro Bankkunden.

    In Krisenzeiten kann Bargeld als sichere Notfallreserve dienen, während das private Digitalgeld von der Liquidität der Banken abhängt.

    Bequemlichkeit

    Die Digitalisierung hat die Zahlungsabwicklung revolutioniert und wird dies auch in Zukunft tun. Heutige Zahlungsmethoden unterscheiden sich erheblich von denen vor einem Jahrzehnt. Mit nur einem Gerät oder einer App können Sie jetzt Einkäufe über Ihre Uhr tätigen und gleichzeitig eine Anwendung nutzen, um die Kosten für ein Abendessen mit Ihrem Date zu teilen – und das noch bevor Sie den Tisch verlassen haben. Es ist nicht mehr notwendig, Geld zu zählen oder sich Gedanken über das Wechselgeld zu machen. Eine sperrige Brieftasche mitzuführen oder regelmäßig zum Geldautomaten zu gehen, entfällt ebenfalls. Als Händler erleichtert Ihnen die Annahme digitaler Zahlungen die Verwaltung erheblich und erspart Ihnen den Weg zur Bank, um Bargeldeinnahmen einzuzahlen.

    Die Implementierung sozialer Distanzierung, Lockdowns und die Angst vor einer potenziellen Virusübertragung über physisches Bargeld während der Pandemie haben digitale Transaktionen und Zahlungen weiter vorangetrieben. Die Pandemie hat den Prozess der Digitalisierung in allen Branchen weltweit beschleunigt, was wiederum die Verbreitung bargeldloser Zahlungen gefördert hat. Diese Entwicklung hat die Akzeptanz elektronischer Zahlungen bei Händlern erhöht, um den elektronischen Handel und den kontaktlosen Austausch zu erleichtern.

    Im Jahr 2021 betrug der Anteil physischer Bargeldtransaktionen weltweit 18 % an den POS-Transaktionen und wird voraussichtlich bis 2025 auf 10 % sinken. Regionsweise verteilt lag der Bargeldanteil im Jahr 2021 im Nahen Osten und Afrika (MEA) bei 44 %, in Lateinamerika bei 36 %, in Europa bei 26 %, im asiatisch-pazifischen Raum bei 16 % und in Nordamerika bei 11 %. Ein Rückgang der Bargeldnutzung wird bis 2025 in allen Regionen erwartet, beispielsweise auf 31 % in MEA, 24 % in Lateinamerika, 17 % in Europa, 8 % im asiatisch-pazifischen Raum und 6 % in Nordamerika. (Abb. 47).

    POS steht für „Point of Sale“, was auf Deutsch „Verkaufsstelle“ bedeutet. Eine POS-Transaktion bezieht sich auf eine finanzielle Transaktion, die an einem physischen Verkaufspunkt stattfindet, wie zum Beispiel an der Kasse eines Ladens oder an einem Verkaufsstand.

    Abb. 47: Anteil am Mix der POS-Zahlungsarten in % (2022 – 2025) [CBDC: Context, challenges, and conditions for a successful adoption, S.20]

    Benutzerfreundlichkeit / e-Commerce

    Der Online-Handel boomt, und das nicht erst seit dem Beginn der Corona-Pandemie. Im Jahr 2023 gaben drei Viertel (75 %) der 16- bis 74-Jährigen in der EU an, bereits online eingekauft zu haben. Besonders verbreitet waren Online-Käufe in den Niederlanden (95 %), Dänemark (94 %) und Schweden (91 %). Deutschland belegte mit 82 % im EU-Ranking den achten Platz.

    Um von den Vorteilen des Online-Handels profitieren zu können, haben Verbraucher eine Vielzahl von Zahlungsmethoden zur Auswahl. Die gängigen Zahlungsmethoden für den E-Commerce sind in der Abbildung dargestellt.

    Abb. 48: Gängige Zahlungsmöglichkeiten im Online-Handel [verbraucherschutz.com]

    Mit dem Aufstieg des E-Commerce wird es für das Bargeld immer schwieriger, da es praktisch unmöglich ist, Bargeld für Online-Käufe zu verwenden.

    Kosten

    Als Verbraucher mag Ihnen dieser Aspekt möglicherweise unwichtig erscheinen, da sowohl digitale Zahlungen als auch Bargeldtransaktionen auf den ersten Blick kostenfrei erscheinen. Jedoch ist die Verwendung von Bargeld mit Kosten und ineffizienten Aspekten innerhalb einer Volkswirtschaft verbunden. Dies umfasst die Notwendigkeit einer sorgfältigen Handhabung und Verwaltung, den sicheren Transport, Sicherheitsvorkehrungen sowie die Bereitstellung von Geräten oder Personal zum Zählen des Geldes. Zudem erfordert es kontinuierliche Investitionen in Sicherheitsmaßnahmen, um sich vor Fälschungen zu schützen, was wiederum zu zusätzlichen Kosten führt.

    Im Gegensatz dazu zahlt ein Händler bei jeder Kartenzahlung durch einen Kunden eine geringe Gebühr an Banken und Kartenunternehmen, die er in die Preisgestaltung seiner Produkte oder Dienstleistungen einberechnet.

    Nach dem Vergleich der beiden traditionellen Geldformen ergibt sich folgendes Fazit:

    Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass beide traditionelle Geldformen ihre Vor- und Nachteile haben und keine davon perfekt ist.

    Retail-CBDC – Vorteile und potentielle Gefahren

    Um die Sorgen der Bevölkerung in Bezug auf die Einführung von CBDC zu lindern und die Akzeptanz dieser neuen Form des Geldes zu fördern, ist es von entscheidender Bedeutung, sowohl die Vorteile als auch die möglichen Risiken öffentlich zu erörtern. Wie könnte eine solche Diskussion aus der Perspektive der Befürworter von CBDC gestaltet werden?

    Privatheit/Datenschutz

    Digitale Transaktionen hinterlassen im Gegensatz zu physischen Transaktionen mit Geldscheinen und Münzen digitale Fußabdrücke, die rückverfolgbar und unauslöschlich sind. Eine Eigenschaft von physischem Bargeld ist seine vollständige Anonymität: Es gibt keine Aufzeichnung der Transaktionshistorie. Das ist ein unbestreitbarer Fakt.

    Obwohl die meisten Bürger heutzutage kein Problem damit haben, dass Geschäftsbanken, Zahlungsdienstleister und andere private Zahlungsanbieter wie Visa, Mastercard oder PayPal auf ihre Transaktionsdaten zugreifen, sind die Bedenken hinsichtlich des Schutzes der Privatsphäre und des Datenschutzes in Bezug auf CBDC deutlich ausgeprägt. Privatpersonen befürchten, dass der Staat im Vergleich zum privaten Sektor Zugang zu sensiblen und persönlichen Informationen über Transaktionen hat. Eine Erklärung dafür ist, dass die Auswirkungen von Privatunternehmen begrenzt oder harmlos sein könnten, wie beispielsweise weitere Werbung auf ihren Geräten. Im Gegensatz dazu könnten die Folgen beim Staat schwerwiegender sein. Die Befürchtungen könnten auch auf ein „angeborenes“ oder „erworbenes“ Misstrauen gegenüber Regierungen zurückzuführen sein, die über eine große Menge an Daten über die Bürger verfügen, was zu Bedenken hinsichtlich staatlicher Überwachung und der Maxime „Big Brother is watching you“ führt.

    Die meisten Menschen ignorieren oft die Tatsache, dass in einer digitalen Wirtschaft der Staat bereits Zugriff auf Daten von Privatunternehmen wie Geschäftsbanken und Zahlungsdienstleistern hat. Dies geschieht normalerweise aus verschiedenen Gründen, einschließlich der Überwachung von Finanztransaktionen zur Bekämpfung von Geldwäsche und Terrorismusfinanzierung, der Durchsetzung von Steuergesetzen und der Aufrechterhaltung der Finanzstabilität. Der Zugang zu solchen Daten wird formal durch Datenschutzgesetze und -richtlinien geregelt, um die Privatsphäre der Bürger zu schützen.

    Jedoch erlaubt die Technologie hinter CBDC eine viel tiefere Form der Überwachung. Ein recht eindringlicher Kommentar dazu stammt von Augustin Carstens, dem Generaldirektor der Bank for International Settlements (BIS):

    Würde eine solche Aussage Sie nicht zumindest zum Nachdenken anregen? Um Bedenken hinsichtlich staatlicher Überwachung zu mildern, ist es die Aufgabe der Behörden, der Öffentlichkeit zu versichern, dass angemessene Vorschriften und Kontrollen vorhanden sind. In diesem Zusammenhang spielen internationale Organisationen wie die OECD eine wichtige Rolle. Das Dokument der OECD mit dem Titel „Central Bank Digital Currencies (CBDCs) and democratic values” enthält einige relevante Aussagen zu diesem Thema.

    „Eines der Risiken, die CBDCs für die Gesellschaft mit sich bringen, ist ihr potenzieller Einsatz als Überwachungsinstrumente, da sie potenziell Zugang zu einem höheren Maß an Informationen über die Nutzer haben, einschließlich Informationen auf Transaktions- und Kontoebene. Im Extremfall könnten die CBDCs den Regierungen die Möglichkeit geben, alle Transaktions- und sonstigen Finanzaktivitäten der Nutzer zu überwachen und zu verfolgen, und auch die Möglichkeit, eine größere Kontrolle über private Transaktionen auszuüben. Die Behörden könnten Nutzer und Transaktionen ungerechtfertigterweise zensieren, ohne dass ein ordnungsgemäßes Verfahren oder ein Rechtsbehelf vorgesehen ist.

    In einem Szenario, in dem CBDC für die groß angelegte Kontrolle von Geldtransaktionen eingesetzt werden, könnten CBDC zudem zu einem Instrument der Kontrolle und der sozialen Profilierung, der voreingenommenen und diskriminierenden Behandlung von Nutzern und möglichen Menschenrechtsverletzungen werden.“

    Die OECD ist eine internationale Organisation mit 38 Mitgliedstaaten, die sich der Demokratie und Marktwirtschaft verpflichtet fühlen. Zu ihren Mitgliedern gehören viele EU-Staaten, die USA, Kanada, Großbritannien, Japan sowie Australien. Das Dokument betont, dass nicht nur die Risiken bei der Einführung von CBDC verstanden werden, sondern auch klare Richtlinien festgelegt werden, um sicherzustellen, dass demokratische Werte bei der Gestaltung und Umsetzung von CBDCs berücksichtigt werden. Es gibt vier Hauptbereiche, auf die besonders geachtet wird: (i) bürgerliche Freiheiten und Menschenrechte; (ii) Gleichbehandlung: Verfügbarkeit, Zugänglichkeit und Erschwinglichkeit; (iii) Privatsphäre und Integrität; (iv) Vertrauen: Sicherheit, Transparenz, betriebliche Widerstandsfähigkeit sowie Schutz der genannten Werte.

    Abb. 49: Demokratische Werte für die Gestaltung und Umsetzung von CBDCs, wie im OECD-Bericht definiert

    Die OECD betrachtet den Datenschutz wie folgt:

    „Was die Datenschutzoptionen betrifft, so würde der niedrigste Grad an Datenschutz ein Design beinhalten, bei dem alle Onboarding/KYC- und Transaktionsdaten für die Zentralbank sichtbar sind. Der zweitniedrigste Grad des Datenschutzes würde Transparenz und Sichtbarkeit der oben genannten Daten nur für den Intermediär bedeuten. Am anderen Ende des Spektrums sind keine Daten für Dritte oder die Zentralbank selbst sichtbar, d. h. vollständige Anonymität, was nicht wünschenswert ist, da dies die Kontrolle des Umlaufs und die Verhinderung von Geldwäsche unmöglich machen würde. Außerdem würde dies Regulierungs- und Durchsetzungsmaßnahmen erschweren. Stattdessen sieht ein Modell des „selektiven Datenschutzes“ ein höheres Maß an Datenschutz für Zahlungen mit geringem Wert bzw. geringem Risiko vor, das vereinfachte Kontrollen beinhaltet (z. B. eine spezielle Brieftasche mit geringeren Anforderungen bei der Anmeldung). Bei diesem Modell würden Transaktionen mit höheren Beträgen weiterhin den Standardkontrollen unterliegen.“

    Bislang haben keine der Zentralbanken, die CBDC-Forschung betreiben, erklärt, dass sie beabsichtigen, detaillierte und spezifische Daten über die Bürger zu sammeln und zu speichern.

    „Was die Zentralbank betrifft, so schlagen wir vor, dass wir keinen Zugang zu personenbezogenen Daten haben.“ Fabio Panetta, ECB 2023.

    Stattdessen haben die Zentralbanken erklärt, dass die gesammelten Daten auf einer aggregierten Ebene erhoben werden, um eine bessere Bewertung und ein zeitnahes Bild der Wirtschaftslage zu erhalten. Im ECB-Bericht „Aktueller Stand der Arbeit der Arbeitsgruppe für die Entwicklung des Regelwerks des digitalen Euro-Systems“ vom Januar 2024 wurde bestätigt, dass das Onboarding von Endnutzern des Digital-Euro über beaufsichtigte Intermediäre erfolgen soll. Diese Intermediäre, hauptsächlich Geschäftsbanken, werden auch für die Bereitstellung von Digital-Euro-Kontonummern (DEAN), Benutzeroberflächen und die Registrierung von Aliasnamen zuständig sein. Die Erfassung personenbezogener Daten wird im Wesentlichen nicht viel von der Prozedur abweichen, die bereits von den Geschäftsbanken verwendet wird.

    Unabhängig davon, ob Begriffe wie „selektiver Datenschutz“ oder „Pseudonymität“ verwendet werden, wird die vollständige Anonymität des physischen Bargelds nicht erreicht werden können. 

    „Ein genehmigungspflichtiges CBDC-System, bei dem die Teilnahme von einer vertrauenswürdigen Stelle oder einer Reihe von vertrauenswürdigen Stellen verwaltet wird, könnte bessere Ergebnisse im Hinblick auf den Schutz der Privatsphäre sensibler Finanzdaten erzielen: Die Transaktionshistorie ist in der Regel nur für eine kleine Anzahl von vertrauenswürdigen Stellen einsehbar und wird gegenüber anderen geheim gehalten.“ [OECD]

    Ein Gegenargument der Befürworter von CBDC wird sein, dass die Privatsphäre und der Datenschutz der Bürger im Vergleich zur gegenwärtigen Situation besser geschützt werden können. Man wird die Tatsache hervorheben, dass private Zahlungsanbieter wie Visa, Mastercard oder PayPal auf die Transaktionsdaten mit CBDC nicht zugreifen werden können, um diese dann für Cross-Selling Aktionen zu nutzen.

    Erinnern wir uns an den Zusammenhang: Geld = Wert = Vertrauen.
    Beim Fiatgeld ist Geld = Wert = Vertrauen in eine Institution/Regierung.
    Beim CBDC ist Geld = Wert = VERTRAUEN in eine Institution/Regierung.

    Inwieweit VERTRAUEN Sie Ihrer Regierung? Das ist die zentrale Frage, wenn es um Datenschutz und Privatheit geht.

    Zugänglichkeit

    Gemäß dem Bericht der Europäischen Zentralbank „Aktueller Stand der Arbeit der Arbeitsgruppe für die Entwicklung des Regelwerks des digitalen Euro-Systems“ vom Januar 2024 müssen Verbraucher einen ähnlichen Prozess wie beim Digitalen Privatbankgeld durchlaufen, um Zugang zu CBDC zu erhalten. Einige der Schritte des „Onboarding“ werden automatisiert und für die Öffentlichkeit bequemer und zugänglicher gemacht. Dennoch werden drei wesentliche Komponenten unverzichtbar sein: eine Identifikation (wie ein Personalausweis oder eine digitale ID), eine digitale Geldbörse (zum Beispiel als App auf einem Smartphone) und ein Bankkonto. In einem Interview erläutert Nandan Nilekani, CEO von Infosys Technologies, diese Verbindung auf prägnante Weise:

    Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=lgnEg4MJvZI&t=2281s

    Wenn Sie Ihrer Regierung ausreichend VERTRAUEN und Zugänglichkeit mit Bequemlichkeit gleichsetzen, so könnte man schlussfolgern, dass der Zugang zum CBDC durchaus erleichtert werden kann.

    Sicherheit

    Wie Bargeld wird auch CBDC von Zentralbanken ausgegeben und durch ihre Autorität gestützt, was ein neues „Safe Asset“ in digitaler Form schafft. Somit tritt CBDC grundsätzlich in direkte Konkurrenz zum Privatbankgeld der Geschäftsbanken.

    Wenn man die Rolle der Geschäftsbanken im weiteren Verlauf der Finanzsystementwicklung als weniger bedeutend ansieht, könnte man das Retail-CBDC anlagenähnlicher gestalten, beispielsweise indem man die CBDC-Beträge der Endverbraucher wie ein Sparangebot verzinst. Dies hätte weitreichende Auswirkungen auf die Geschäftsbanken, da ihr Einlagengeschäft in diesem Szenario stark belastet würde und ihr gesamtes Geschäftsmodell in Frage gestellt wäre. Wenn die Geschäftsbanken weiterhin eine wichtige Rolle spielen sollen, könnte sich CBDC ausschließlich auf bargeldähnliche Funktionen beschränken. Da die Geschäftsbanken derzeit direkten Kontakt zu den Endnutzern haben, liegt es hauptsächlich an ihnen, die allgemeine Akzeptanz und den Erfolg von CBDC zu beeinflussen. Daher wird jede Zentralbank wahrscheinlich eine digitale Zentralbankwährung nicht gegen den Widerstand der Geschäftsbanken einführen und CBDC in der Anfangsphase ausschließlich als Alternative zum Bargeld betrachten.

    Ein weiteres Problem, das Geschäftsbanken Kopfschmerzen bereiten kann, ist das sogenannte Bank-Run-Szenario. Ein Bank-Run tritt auf, wenn eine große Anzahl von Menschen gleichzeitig beginnt, ihre Einlagen von einer Bank abzuheben, aus Angst, dass die Bank zahlungsunfähig werden könnte. Dies kann zu finanziellen Schwierigkeiten oder sogar zum Zusammenbruch der Bank führen, da sie möglicherweise nicht genügend liquide Mittel hat, um alle Abhebungen zu decken (siehe auch Kapitel 2.2.1.). In Zeiten der Krise könnte ein solches Szenario schnell zur Realität werden. Anstatt sich in Schlangen vor Geldautomaten anzustellen, könnten die meisten Menschen nach der Einführung von CBDC mit einem einfachen Mausklick ihre Einlagen bei einer Geschäftsbank in das vermeintlich sicherere CBDC umwandeln. Um dem vorzubeugen, werden die Zentralbanken voraussichtlich eine Obergrenze für den Besitz von CBDC einführen. Im Euroraum wird diese Obergrenze höchstwahrscheinlich nicht 3.000 EUR überschreiten.

    Transaktionen über der festgelegten Obergrenze können auf Wunsch des Nutzers laut Europäischer Zentralbank mit der sogenannten Wasserfallfunktion (Waterfall bzw. reverse Waterfall) abgewickelt werden. Dabei werden Beträge über dem Limit entweder von oder auf das Geschäftsbankkonto des Nutzers transferiert.

    In der Praxis bedeutet dies, dass das digitale EURO-Konto direkt mit dem Geschäftsbankkonto verbunden ist und eher als eine kleine Erweiterung betrachtet wird. In diesem Szenario werden die Vorteile eines „Safe Assets“ für den Endverbraucher deutlich relativiert.

    In Bezug auf Bequemlichkeit und E-Commerce bringt CBDC im Vergleich zum digitalen Privatbankgeld keine signifikanten Neuerungen mit sich.

    Allerdings könnten die Transaktionskosten sowohl für den Einzelhändler als auch für den Endverbraucher durch das Wegfallen privater Zahlungsdienstleister wie Visa, Mastercard oder PayPal gesenkt werden. Neue technologische Innovationen wie Distributed Ledger Technology (DLT), Tokenisierung und Smart Contracts könnten die Kosten für Inlands- und insbesondere Auslandsgeldtransaktionen weiter reduzieren.

    Damit ergibt sich folgende Zwischenbilanz:

    Ein Befürworter von CBDC könnte argumentieren, dass im Vergleich zu digitalem Privatbankgeld die Privatsphäre, Zugänglichkeit, Sicherheit und Kostenstruktur verbessert werden. Ein neutraler Beobachter könnte hauptsächlich die Kostenvorteile erkennen und beginnen, Fragen darüber zu stellen, wie weit sein Vertrauen in die Regierung reicht.

    Geopolitische Vorteile

    Momentan wird der US-Dollar in etwa 88% aller weltweiten Devisengeschäfte direkt oder indirekt verwendet. Diese Verwendung des Dollars, zusammen mit der Dollarisierung in einigen Ländern und der Tatsache, dass viele Zentralbanken den Dollar als Reservewährung halten, gibt den USA viel Macht, sogar außerhalb ihrer Grenzen. Zum Beispiel können sie durch Sanktionen und politischen Druck Einfluss auf andere Länder ausüben. Die jüngsten Ereignisse, wie der Krieg in der Ukraine und die Reaktion des Westens darauf, Russland vom Finanzsystem auszuschließen, haben viele Länder dazu gebracht, sich für CBDC zu interessieren, um in Zukunft besser geschützt zu sein.

    Ein funktionierendes Abrechnungssystem zwischen zwei beliebigen Zentralbanken kann dafür sorgen, dass die Wirtschaftstätigkeit ununterbrochen fortgesetzt werden kann. Selbst wenn dieses System teurer ist als herkömmliche Kanäle, kann es immer noch kostengünstiger sein als das komplizierte Netzwerk von Bankbeziehungen, das derzeit genutzt wird, um Sanktionen zu umgehen. Viele Länder, die ihre eigene Widerstandsfähigkeit stärken wollen, werden zweifellos die Bedeutung eines zuverlässigen Abrechnungssystems in der geopolitischen Landschaft in Betracht ziehen.

    Die weltweit zunehmende geopolitische Instabilität hat die EZB dazu veranlasst, die Erprobung der bereits beschriebenen konzeptionellen Lösungen für die Abwicklung von Zentralbankgeld für Großhandelstransaktionen (Wholesale CBDC) zu beschleunigen.

    Obwohl dieser Aspekt hauptsächlich die Entwicklung von Wholesale CBDC betrifft, wird er von den Befürwortern von Retail-CBDC oft als überzeugendes Argument genutzt, um die Notwendigkeit von CBDC zu unterstreichen. Nichts eint mehr als ein äußerer Feind.

    Programmierbarkeit

    In den vorigen Kapiteln wurde gezeigt, dass die CBDC-Technologie einige wesentliche Elemente der Technologie aus dem Krypto-Ökosystem verwendet. Dazu gehören die Distributed-Ledger-Technologie, die Tokenisierung sowie die Verwendung von Smart Contracts. Das macht CBDC programmierbar. Daraus können sich verschiedene Szenarien ergeben.

    Zum Beispiel könnten Ablaufdaten für Konjunkturmittel eingeführt werden, ebenso wie Ausgabenbeschränkungen für bestimmte Orte oder Regionen und die Begrenzung der Verwendung auf bestimmte Waren wie Lebensmittel. Es könnte auch Einschränkungen geben, die den Kauf von anderen Waren wie Alkohol und Zigaretten verbieten. Solche Szenarien sind Wasser auf die Mühlen der CBDC-Skeptiker.

    An dieser Stelle wird erneut die Verbindung zwischen CBDC und den demokratischen Werten hervorgehoben. In dem Dokument „Central Bank Digital Currencies (CBDCs) and democratic values“ äußert sich die OECD zu diesem Thema wie folgt:

    „Die Programmierbarkeit könnte zwar staatlich oder von der Zentralbank initiiertes programmierbares Geld ermöglichen, das nur auf bestimmte Weise funktioniert, doch würde dies den politischen Zielen zuwiderlaufen, den Bürgern einheitliche CBDCs zur Verfügung zu stellen und das Vertrauen der Nutzer zu fördern. Die Programmierbarkeit von Zahlungen hingegen, die von den Nutzern kontrolliert wird, könnte den Nutzern erweiterte Funktionen bieten, um Regeln für ihre Zahlungen festzulegen. In einigen Fällen ist vorgesehen, dass Anbieter von Zahlungsschnittstellen und Anbieter von Schnittstellen zu externen Diensten solche programmierbaren Funktionen selbst implementieren könnten, aber sie würden die Zustimmung der Nutzer erfordern und nicht auf Anweisung des Emittenten erfolgen.“

    Die Europäische Zentralbank (EZB) unterscheidet zwischen zwei Konzepten: programmierbares Geld und programmierbare Zahlungen. Bei programmierbarem Geld können Bedingungen für den digitalen Euro (wie z. B. oben exemplarisch erwähnt) festgelegt werden. Auf der anderen Seite beziehen sich programmierbare Zahlungen darauf, dass Zahlungen automatisch ausgelöst werden können, wenn vordefinierte Bedingungen erfüllt sind. Kurz gesagt, CBDC ist eine digitale Währung in elektronischen Geldbörsen, die für Transaktionen verwendet wird. Programmierbare Zahlungen betreffen die Aktionen, die mit dem CBDC in elektronischen Geldbörsen durchgeführt werden können.

    Die EZB hat programmierbares Geld ausdrücklich ausgeschlossen, befürwortet jedoch programmierbare Zahlungen. Programmierbare Zahlungen können laut EZB die Nutzererfahrung verbessern und die Zahlungseffizienz steigern. Dies geschieht auf Ebene der Geschäftsbanken und Zahlungsdienstleister (PSP) und nicht auf der Ebene der Zentralbank. Es erfordert die Zustimmung der Nutzer und wird nicht zwangsweise eingeführt.

    Die Befürworter der CBDC betrachten die programmierbaren Zahlungen als Basis für die Schaffung von innovativen Finanzdienstleistungen. 

    Was sich hinter den innovativen Finanzdienstleistungen verbergen kann, wird die Zukunft zeigen.

    Einige Denkansätze in diesem Zusammenhang kann man in dem Artikel „Rethinking the Rise of Global Central Bank Digital Currencies: A Policy Perspective“ (Überlegungen zum Aufkommen globaler Zentralbank-Digitalwährungen: Eine politische Perspektive) von Gengxuan et al. finden.

    Die Autoren dieser Studie erforschen, wie die Kombination von CBDC und Smart Contracts die Finanzpolitik direkt beeinflussen kann. Im Vergleich zu den Auswirkungen von CBDC als Tauschmittel sind die Auswirkungen von CBDC als politisches Instrument noch bedeutsamer und komplexer.

    Zentralbanken nutzen traditionell eine Strategie namens „Forward Guidance“, um ihre zukünftigen geldpolitischen Pläne transparent zu kommunizieren. Diese Kommunikation betrifft Aspekte wie die Richtung der Zinssätze oder andere geldpolitische Maßnahmen. Ziel ist es, die Erwartungen der Märkte zu beeinflussen, um wirtschaftliche Ergebnisse wie Investitionen, Verbrauchervertrauen oder die Inflation zu lenken. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Marktteilnehmer rational auf diese Informationen reagieren. Allerdings zeigen die Autoren auf, dass die meisten Verbraucher aufgrund ihrer kognitiven Fähigkeiten nur begrenzt auf diese Politik reagieren. Inflationserwartungen spielen oft keine Rolle bei ihren Ausgaben- und Sparentscheidungen.

    Die Frage lautet, wie CBDC in Verbindung mit Smart Contracts genutzt werden kann, um Einzelpersonen und Haushalte dazu zu bringen, Entscheidungen zu treffen, die mit den Zielen der Zentralbank übereinstimmen. Diese Kombination könnte es den Zentralbanken ermöglichen, den Entscheidungsprozess der Menschen, der rational, begrenzt rational oder auch psychologisch motiviert sein kann, zu beeinflussen. Durch Smart Contract-Technologie können die Kosten und Nutzen bestimmter Entscheidungen für Haushalte verändert werden. CBDC in Verbindung mit programmierbaren Zahlungen könnte somit als Instrument dienen, um die Auswirkungen der Geldpolitik auf Mikroebene zu verbessern.

    Ein mögliches Anwendungsszenario wäre die Steuersenkungspolitik. Wenn diese über CBDC implementiert wird, können die Bedingungen der Steuerermäßigung in den Smart Contract integriert werden. Beispielsweise könnte festgelegt werden, dass die Steuerermäßigung für Konsum oder Investitionen verwendet werden muss und nicht für die Schuldentilgung. Traditionell können Steuererleichterungen das Konsum- und Investitionsverhalten beeinflussen, aber die Vorteile wirken sich nicht direkt auf Konsum und Investitionen aus. Die Umsetzung bedingter Steuersenkungen über CBDC und Smart Contracts kann sich direkt auf den Konsum auswirken. Zudem könnten gezielte Steuersenkungen für verschiedene Verbrauchergruppen vorgenommen werden, beispielsweise für einkommensschwache Familien, da diese besonders empfänglich für Steuererleichterungen sind.

    Über CBDC können staatliche Käufe mithilfe von Smart Contracts abgewickelt werden. Solche Zahlungen können an politische Ziele angepasst werden, wie zum Beispiel die Unterstützung von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU). Oft können KMU jedoch nicht direkt von gezielten Steuersenkungen oder Käufen profitieren, was zu einer ungleichen Verteilung politischer Unterstützung führt. CBDC und intelligente Verträge könnten diese Effekte verstärken, indem sie Unternehmen verpflichten, mehr Geschäfte mit KMU zu tätigen.

    Das sind nur ein paar Beispiele dafür, wie Retail-CBDC auf individueller Ebene als effektives Instrument zur Umsetzung geldpolitischer Maßnahmen und politischer Ziele dienen könnte. Dies steht im Einklang mit dem Konzept von „Belohnung und Bestrafung“, das in der modernen Biopolitik Anwendung findet. Aus Sicht des Einzelnen erscheint diese Art der Regierungsführung als eine Art „guter Hirte“, dessen Aufgabe es ist, das Wohl der Menschen zu fördern. Das Ziel dieser Regierungstechnik ist es, die Menschen dazu zu bringen, ihre Leistung, ihre Kräfte und ihre Fähigkeiten zu steigern, um den Beitrag zum Produktionsapparat der Gesellschaft zu maximieren. Durch diese Regulierungsmethoden werden Normen festgelegt, die zwischen „normal“ und „anormal“ unterscheiden. Es werden „Korrekturinstrumente“ definiert, die dazu beitragen, das Verhalten des Einzelnen zu ändern und ihn als integralen Bestandteil der Bevölkerung zu formen.

    Die Normierung im biopolitischen Kontext führt zu zwei komplementären biopolitischen Handlungen:
    a) Die Förderung (Inklusion) derjenigen, die als förderungswürdig angesehen werden.
    b) Die Ausscheidung (Exklusion) derjenigen, die nicht als förderungswürdig betrachtet werden.

    Mehr zu diesem Thema findet man hier.

    Fazit:

    Die zukünftige Entwicklung des Fiat-Finanzsystems wird stark von Technologieelementen beeinflusst sein, die im Krypto-Ökosystem entwickelt und erprobt wurden. Dazu gehören Distributed-Ledger-Technologie, Tokenisierung und Smart Contracts.

    Mittel- bis langfristig werden sowohl das Wholesale CBDC als auch das Geschäftsbankgeld in Form von Tokens digitalisiert. Tokens repräsentieren Vermögenswerte, physische Objekte oder immaterielle Werte auf einer programmierbaren Plattform. Dadurch werden sowohl CBDC als auch das Geschäftsbankgeld verstärkt in Smart Contracts integriert. Dies wird zunächst in Business-to-Business (B2B) -Transaktionen implementiert und später nahtlos in das Business-to-Customer (B2C) -Umfeld übergehen.

    Die Einführung von Retail-CBDC soll die letzte Lücke in diesem Tokenisierungsprozess schließen und als digitale Version des physischen Bargelds in Smart Contracts integriert werden.

    Neben der Optimierung und Beschleunigung von bankinternen Prozessen und Transaktionen zielt diese Umstellung des Finanzsystems darauf ab, die geopolitische Resilienz von Staaten oder Staatsgemeinschaften zu erhöhen. Die Einführung von CBDC wird direkt mit dem Erhalt und der Verteidigung demokratischer Werte in der Gesellschaft verbunden.

    Durch die neue Infrastruktur können Zentralbanken aggregierte Daten erfassen, um ein genaueres Bild der Wirtschaftslage zu erhalten. Außerdem könnten sie durch Smart Contracts sowohl auf Makro- als auch auf Mikroebene zeitnah Korrekturmaßnahmen ergreifen. Die Umsetzung kann je nach demokratischer oder autoritärer Ausrichtung der Gesellschaft variieren. Daher wird das Vertrauen in die Regierung und ihr Engagement für demokratische Werte in dieser neuen Konstellation besonders betont.

    Auf jeden Fall wird CBDC als ein leistungsfähiges Instrument der Biopolitik in modernen Gesellschaften dienen, indem es die Koordination aller Marktteilnehmer im Sinne der Ziele der Zentralbank verbessert. Durch die enge Verbindung zwischen Zentralbank- und Regierungspolitik wird auch die Umsetzung bestimmter politischer Agenden unterstützt.

    5. Ein Blick in die Zukunft – Welcome to the tokenisation continuum

    Wenn Sie sich über die mögliche Entwicklung der europäischen Gesellschaft nach Einführung von CBDC und tokenisiertem Geld im Einklang mit demokratischen Werten noch unsicher sind, empfiehlt es sich, einen genaueren Blick auf die Zukunftsvision der Initiative „Tokenise Europe 2025“ zu werfen. Diese Initiative wurde von der Europäischen Kommission und dem Bundesverband deutscher Banken ins Leben gerufen und wird von der Unternehmensberatung Roland Berger sowie mehr als 20 Mitgliedsorganisationen aus verschiedenen Ländern und Branchen unterstützt, um die Tokenisierung Europas voranzutreiben.

    Die Zukunft Europas wird wie folgt beschrieben:

    Im Jahr 2030 gehen wir nicht mehr „online“, denn das Online-Sein ist ein fester Bestandteil des Lebens. Technologie und digitale Dienste sind in unsere täglichen Abläufe, unsere Arbeit und unseren Lebensstil eingebettet, und das 24 Stunden am Tag.

    EIN TAG IM LEBEN EINES TOKENISIERTEN EUROPAS IM JAHR 2030

    07:00
    Draußen wird es warm. Simon ist europäischer Staatsbürger und hat einen eindeutigen digitalen Identitäts-Token in seiner Smartwatch gespeichert. Simons digitaler Personal Trainer empfängt Fitnessdaten von seiner Smartwatch, während er schläft. Simons Token-basierter digitaler Zwilling errechnet immer die beste Aktion, die er als Nächstes durchführen sollte. Der Trainer erstellt einen Tagesplan, der auf Simons Vorlieben und Fitnesszustand abgestimmt ist. Der Plan für den heutigen Tag wird bereits vor dem Weckerklingeln an alle seine elektronischen Geräte gesendet. Eine Mikrozahlung an seinen digitalen Personal Trainer wurde automatisch getätigt, noch bevor Simon aufwachte. Da auch die Wetterdaten an sein Smart Home gesendet und von seinem lokalen Sensor angepasst wurden, wird die Klimaanlage aktiviert. Simon erhält einige Münzen für die von seinem lokalen Sensor gesammelten Daten.

    07:30
    Zeit für das Frühstück! Der Kühlschrank, der das Wetter und Simons Fitnesszustand kennt, wird ihm empfehlen, heute eine leichte Mahlzeit zu sich zu nehmen. Der Kühlschrank weiß, was in ihm gelagert wird, und kennt auch Simons Vorlieben (z. B. für Bio-Lebensmittel, die vom Hersteller über einen digitalen Token mit allen Informationen über Produktion, Transport und Lieferung digital zertifiziert sind). Durch die Kombination dieser Informationen mit Simons digitaler ID und seinen Zahlungsdaten kann der Kühlschrank fehlende Lebensmittel nachbestellen. Simons Lebensmittellieferant liefert ihm die Lebensmittel innerhalb von 20 Minuten nach Hause.

    08:00
    Simon erhält einen Vorschlag von seinem Anbieter von Elektrofahrzeugen: „Simon, Sie sollten bei heißem Wetter nicht den langen Weg ins Büro laufen. Wir empfehlen, eine umweltfreundliche Fahrgemeinschaft zu nutzen. Bitte bestätigen Sie die Vorbuchung, die wir vorgenommen haben.“ Im Jahr 2030 werden alle digitalen Identitäten – die von Menschen und Maschinen gleichermaßen – in digitalen Brieftaschen gespeichert. Diese Geldbörsen enthalten auch digitales Geld, Führerscheine, Versicherungspolicen und Angaben zur registrierten Adresse usw. – in Simons Fall alles nach seinen persönlichen Vorlieben und den Regeln, die er als Eigentümer der Daten selbst festgelegt hat. Das Elektroauto, das sich über Nacht auf dem Parkplatz aufgeladen hat, steht bereit und wartet auf ihn.

    08:15
    Um eine optimale Verteilung der Autos innerhalb der Stadt zu gewährleisten, berechnen dynamische Preismodule die Nutzungsgebühren auf der Grundlage des Standorts und/oder nahe gelegener Ereignisse. Nachdem der Autoschlüssel als digitaler Zwilling an Simons Smartphone gesendet wurde, wird die Nutzungsgebühr zusätzlich zum dynamischen Preis pro Kilowattstunde anhand des Verbrauchs berechnet. Die Versicherungsgebühr ist über einen separaten Versicherungs-Token und abhängig von seinem Fahrstil zu zahlen. Heute hat er einen Rabatt erhalten, weil er auch Inhaber eines Sicherheitstokens des Carsharing-Unternehmens ist, das heute eine Dividende ausschüttet.

    08:30
    Simon arbeitet in der Logistikabteilung eines Textilunternehmens, das seine Produkte außerhalb Europas herstellt und eine globale Lieferkette hat. In der Zeit vor der Tokenisierung war die Verwaltung globaler Lieferketten eine Herausforderung, da viele Lieferanten, Zwischenhändler und Behörden in vielen verschiedenen Ländern involviert waren – eine Komplexität, die zu den nicht-digitalen bzw. papiergestützten Prozessen, Sprachbarrieren, rechtlichen Unterschieden und Zeitzonenunterschieden hinzukam. In Kombination mit digitalen Verträgen und Transaktionen hat die Tokenisierung die Transparenz, Sicherheit und Effizienz solcher Transaktionen erheblich verbessert.

    09:00-17:00
    Von seinem Büro in Berlin aus kann Simon jedes Glied der Produktionskette verfolgen. Frau Jin pflückt die Baumwolle auf einem Feld in der Region Huang-Huai-Hai, und Herr Xiao liefert die Baumwolle an die Fabrik. Ein eingebetteter Token enthält Informationen darüber, welche Arbeiter an dem Produkt gearbeitet haben und am Transport per Lkw zum Hafen und zum Schiff usw. beteiligt waren. Dies ist besonders nützlich, um sicherzustellen, dass bei jedem Schritt nachhaltige und ethische Produktions- und Transportstandards eingehalten wurden. Da die Verträge mit den Lieferanten als intelligente Verträge in einem Netzwerk mit verteilter Ledger-Technologie definiert sind, erfolgen alle Zahlungen automatisch. Wenn die vertraglichen Anforderungen erfüllt sind, wird die Zahlung automatisch von der Geldbörse des Unternehmens abgebucht, während Simon im Büro einen Kaffee trinkt. Nachdem er sich vergewissert hat, dass mit der Transaktion alles in Ordnung ist, nimmt Simon an seinem Geschäftstermin teil, der in einer Metaverse-Anwendung stattfindet.

    17:00
    Am Ende seines Arbeitstages erinnert Simons digitaler Personal Trainer ihn an seinen Sportkurs, der sich ebenfalls im Metaversum befindet. Sein Trainer, der in den USA lebt, wird auf ihn warten, so dass beide ein digitales Training absolvieren können, als ob sie sich am selben Ort befänden.

    20:00
    Nach dem Training geht Simon mit Zeynep essen. Die Rechnung für das köstliche Abendessen wird direkt an Simons Brieftasche geschickt, wo er den Trinkgeldbetrag auswählt und in digitalen Euro bezahlt. Der Anbieter der Brieftasche – seine Bank – schickt ihm jedes Mal eine Benachrichtigung, wenn eine Zahlung oder eine andere Änderung in der Brieftasche vorgenommen wird. Darüber hinaus besteht seine persönliche elektronische Brieftasche nicht nur aus Zahlungsmitteln, sondern auch aus einer Vielzahl von tokenisierten Vermögenswerten: Aktien, Stablecoins, börsengehandelte Fonds (ETFs) und Unternehmensanleihen. Einige seiner Freunde besitzen auf die gleiche Weise sogar Teile von Oldtimern, Kunstwerken, Häusern und anderen Gegenständen. Dies ist möglich, weil früher illiquide Anlageklassen, hochpreisige Vermögenswerte und teure Transaktionen heute in kleinen Bruchteilen digital und fast ohne Transaktionskosten erworben und verarbeitet werden können.

    Zu Hause angekommen, sieht sich Simon ein letztes Mal die neuesten Nachrichten im Metaversum an, die auf seinen selbst definierten Vorlieben basieren. Dann macht er Schluss für heute.

    6. Epilog

    Entspricht diese Zukunftsvision, die von der Europäischen Kommission und dem Bundesverband deutscher Banken entwickelt wurde, Ihren Vorstellungen? Möchten Sie einen vergleichbaren Alltag wie Simon führen?

    Wenn ja, dann herzlichen Glückwunsch! Sie werden wahrscheinlich eine vorbehaltlose Liebesgeschichte mit CBDC und dem damit verbundenen System erleben.

    Wenn diese Vision bei Ihnen gemischte Gefühle auslöst, könnte Ihre Beziehung zu CBDC und dem dazugehörigen System eher eine Liebesgeschichte mit Vorbehalten sein. Trotz der wahrgenommenen Vorteile des neuen Systems hoffen Sie möglicherweise darauf, dass die Regierung ein starkes Demokratieverständnis zeigt und die potenziellen Nachteile des Systems abmildert oder zumindest berücksichtigt.

    Die Geschichte hat uns jedoch gelehrt, dass sich das Demokratieverständnis im Laufe der Zeit verändern kann. Es wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter gesellschaftliche Entwicklungen, politische Ereignisse, kulturelle Veränderungen und individuelle Erfahrungen. Zum Beispiel können sich technologische Fortschritte, wirtschaftliche Bedingungen oder politische Krisen auf die Wahrnehmung und Interpretation von Demokratie auswirken. Medien und politische Diskurse können dazu beitragen, dass sich die Vorstellungen und Erwartungen bezüglich Demokratie im Laufe der Zeit ändern.

    Wenn Sie die Vision ablehnen, könnten Sie trotzdem darauf vertrauen, dass die Regierung ihr Versprechen einhält, dass der digitale Euro das Bargeld nicht ersetzen wird, obwohl in der Vision kein Wort über Bargeld verloren wird.

    „Die Digitalisierung eröffnet uns die Möglichkeit, die Demokratie in einer völlig neuen Art und Weise zu gestalten.“
    Yuval Noah Harari, Autor von „Sapiens: Eine kurze Geschichte der Menschheit”

    Quellen (Stand vom 18.05.2024)

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  • Foreign DNA in the mRNA Vaccine

    Foreign DNA in the mRNA Vaccine

    Since this article was published, the scientific discussion on residual DNA in mRNA vaccines has advanced significantly.

    A comprehensive and methodologically updated follow-up article now provides an in-depth analysis of the manufacturing processes, detection methods, and the studies on residual DNA to date – largely superseding this earlier piece.

    To the article series:
    Residual DNA in modRNA-Based Vaccines

    In recent years, the development and application of mRNA vaccines have experienced significant progress. What was once only present in the laboratory has now become a reality for many of us, as we have been vaccinated multiple times with mRNA vaccines. This technology is now viewed as a promising tool for future medical interventions. It is expected that in the near future, more mRNA-based vaccines will enter the market to combat various diseases. An overview of this can be found here.

    Currently, six mRNA vaccines for Covid-19 vaccination are approved worldwide, with two of them approved in the EU. The European Medicines Agency (EMA) has classified the safety profile of these approved mRNA vaccines as very reassuring. However, recent media reports dealing with the issue of „foreign DNA in corona vaccines” have led to controversial discussions and attracted increased attention.

    Sources:

    Given the essential importance of mRNA vaccines for our health, it is interesting to take a closer look at the precise background and the critical viewpoints.

    In public debates, scientific arguments are often taken out of context and mixed with general descriptions. Particularly when political and economic interests are involved, objectivity in public discourse seems to be increasingly neglected. Clarifying this issue is not only important from a scientific perspective but also relevant in the socio-political context.

    This paper aims to build a bridge between the highly specialized scientific explanations in the specialist literature and the generally understandable descriptions in the media. By conveying detailed knowledge on the topic of „foreign DNA in vaccines”, the goal is to help make complex processes understandable to a broader audience.

    It is therefore suggested that the individual sections of this article be read in consecutive order. This approach allows the information to systematically build upon each other, enabling a more comprehensive understanding of the topic.

    Engaging deeply with the subject allows interested readers to expand their knowledge base and develop a deeper understanding of the underlying connections. In this context, knowledge becomes a crucial resource. Individuals who have a better understanding of the processes involved in vaccine development are more likely to make informed decisions, as opposed to those without this knowledge who may rely on the statements and beliefs of others.

    1. Discovery of foreign DNA in the vaccine
    2. What is the explosive nature of the study results?
    2.1. The significance of DNA for mRNA vaccines
    2.2. The manufacturing processes of the BioNTech mRNA vaccine
    3. The manufacturing processes in a nutchell
    3.1. Extraction of the genetic information
    3.2. Replication of the spike protein DNA
    3.3. Transcription for the production of RNA
    3.4. RNA-Processing
    3.5. Purification of the synthetic mRNA
    3.6. mRNA is packaged into lipid nanoparticles
    3.7. Few conclusions
    4. Methods for measuring DNA and RNA
    4.1. Fluorescence Assay
    4.2. Oxford Nanopore Technology
    4.3. UV Spectroscopy
    5. Measurement results and their interpretation
    5.1. Guidelines for limiting residual DNA in vaccines
    5.2. The measurement methods used by Pfizer
    5.3. DNA fragments detected in COVID-19 vaccines
    5.4. Reproduction of the study results
    5.5. Brief summary
    6. Official reactions and knowledge regarding foreign DNA
    6.1. The European Medicines Agency (EMA)
    6.2. The Paul Ehrlich Institute (PEI)
    6.3. Brief summary
    7. Are further investigations necessary?
    7.1. Official statements regarding residual DNA
    7.2. Further studies on the topic
    7.3. SV40 Sequences
    7.4. SV40-Promoter and the p53-Tumor-Suppressor Gene
    7.5. Residual DNA and the lipid nanoparticles
    7.6. Possible integration into the DNA
    7.7. Calls for further investigations
    7.8. Brief summary
    8. Epilogue

    1. Discovery of foreign DNA in the vaccine

    According to a study published on the OSF Preprints platform on April 11, 2023, batches of the Pfizer and Moderna COVID-19 mRNA vaccines were found to contain DNA contaminations exceeding the limits set by the European Medicines Agency (EMA) of 330 ng/mg and the FDA of 10 ng/dose. These DNA contaminations are referred to as „foreign DNA”, meaning genetic material not naturally present in the human body. This study marks the beginning of investigations into this topic.

    The study was conducted under the direction of Kevin McKernan and his team. Dr. Kevin McKernan is an American geneticist and plant biologist. He initially worked as head of the research and development department of the Human Genome Project at the Massachusetts Institute of Technology (MIT). He later founded Medicinal Genomics, where he serves as CSO (Chief Scientific Officer). He has extensive experience in the biotechnology industry, particularly in DNA sequencing and genomics projects. His expertise extends to next-generation sequencing technologies and he has been instrumental in the development of methods and technologies for decoding DNA.

    On October 19, 2023, another study was published that once again investigated DNA contamination in mRNA products from Pfizer and Moderna. The primary author of this study is Dr. David Speicher, with Dr. Kevin McKernan listed as a co-author.

    According to Speicher, speaking to The Epoch Times, „In our study, we measured DNA copies of the Spike gene, ORI (Origin of Replication), and SV40 Enhancer genes. The loads of SV40 enhancer promoter, ORI and virus spike in Pfizer are up to 186 billion copies per dose.”

    Several million copies of the ORI and spike DNA were also found in the Moderna vials, but the SV40 enhancer gene was not detected there. [Study]

    This initiated a debate about the presence of foreign DNA in the COVID-19 vaccines.

    2. What is the explosive nature of the study results?

    2.1. The significance of DNA for mRNA vaccines

    As explained in the BioNTech short video, the production of mRNA vaccines begins with the identification of genetic information, specifically DNA, which forms the basis of the vaccine. In this case, it is the Spike protein DNA of the SARS-CoV-2 virus. To obtain sufficient genetic material for vaccine production, this DNA is first replicated. Various methods are available for this replication process. The replicated DNA is then used as a template to synthesize mRNA. The produced mRNA carries the genetic information for the Spike protein.

    2.2. The manufacturing processes of the BioNTech mRNA vaccine

    In the European Medicines Agency (EMA) assessment report for the BioNTech mRNA vaccine, two different manufacturing processes are mentioned on page 18: Process 1, which was used during the clinical trials, and Process 2, which is employed during large-scale production.

    In Process 1, the replication of the Spike protein DNA is carried out using the (polymerase chain reaction PCR). In Process 2, the Spike protein DNA is replicated using bacteria. Due to the urgency to rapidly address the demand for vaccines, ‚Process 2‘ has been established as the standard for large-scale production.

    Joshua Guetzkow and Retsef Levi, Israeli researchers, were the first to bring this matter to public attention. They analyzed Pfizer documents that have been gradually released through legal proceedings (see here: lawsuit and court order). The findings of this analysis were published in May 2022 in the British Medical Journal. There you can read the following:

    „An October 2020 amendment to the protocol of the pivotal Pfizer/BioNTech BNT162b2 (Comirnaty) clinical trial (C4591001) indicates that nearly all vaccine doses used in the trial came from ‘clinical batches’ manufactured using what is referred to as ‘Process 1’. However, in order to upscale production for large-scale distribution of ‘emergency supply’ after authorization, a new method was developed, ‘Process 2’. The differences include changes to the DNA template used to transcribe the RNA and the purification phase, as well as the manufacturing process of the lipid nanoparticles. Notably, ‘Process 2’ batches were shown to have substantially lower mRNA integrity. The protocol amendment states that each lot of ‘Process 2’-manufactured BNT162b2 would be administered to approximately 250 participants 16 to 55 years of age with comparative immunogenicity and safety analyses conducted with 250 randomly selected ‘Process 1’ batch recipients. To the best of our knowledge, there is no publicly available report on this comparison of ‘Process 1’ versus ‘Process 2’ doses.”

    In other words, the approval process was based on product derived from the ‚Process 1‘ manufacturing process. These mRNA vaccines were administered to 22.000 volunteers and the efficacy and safety claims are based on the data from these individuals.
    However, ‚Process 2‘, a completely different manufacturing process, was used for the global deployment of the mRNA vaccines. The vaccine produced using this process was only tested on 250 volunteers.

    In this context, the EMA notes the following in the assessment report for the BioNTech mRNA vaccine on page 32:

    „Based on the differences observed between batches manufactured by active substance Process 1 and 2 for the CQA (Critical Quality Attribute) mRNA integrity and lack of characterisation data, a MO (Major Objection) was raised regarding comparability, characterisation and clinical qualification of the one proposed acceptance criteria. Biological characterisation of the active substance was limited, and additional data and discussion were requested to address functionality.”

    The investigation results by McKernan and Speicher pertain to vaccine batches manufactured using ‚Process 2‘.

    In determining the safety profile of an mRNA vaccine, certain characteristics of the vaccine are crucial, including its composition, purity, and stability. The purity of the vaccine is essential to ensure that it is free from potentially harmful contaminants. Contaminants could induce unwanted immune reactions or other side effects.

    In ‚Process 2‘, the replication of the Spike protein DNA in bacteria involves subsequent purification to remove DNA fragments, bacterial residues, and process-related impurities.

    It appears that Moderna also employs a similar process. [Study]

    However, the study by Speicher DJ et al. suggests that the purification of the vaccine solution may not always be effective. The study states: „These data demonstrate the presence of billions to hundreds of billions of DNA molecules per dose in these vaccines. Using fluorometry, all vaccines exceed the guidelines for residual DNA set by FDA and WHO of 10 ng/dose by 188 – 509-fold.“

    To gain a better understanding of this situation and its potential implications, the following chapters will provide a more detailed introduction to the manufacturing processes of mRNA vaccines as well as the methods for quality assurance.

    3. The manufacturing processes in a nutchell

    As already described, ‚Process 1‘ and ‚Process 2‘ mainly differ in the way the Spike protein DNA is replicated, which serves as a template for the production of mRNA containing the blueprint for the spike protein of the coronavirus.

    ‚Process 1‘ utilizes PCR devices for DNA replication, an in-vitro procedure, while ‚Process 2‘ employs bacteria for DNA replication, constituting an in-vivo procedure.

    The following table broadly outlines the similarities and differences in the Pfizer production process, which may vary in reality.

    (*) Information on the manufacturing process according to the EMA „EPAR for the Covid-19 Vaccine Comirnaty“ (in Section 2.2., Page 32)

    3.1. Extraction of the genetic information
    3.2. Replication of the spike protein DNA
    3.2.1. Replication of the spike protein DNA – Process 1
    3.2.2. Replication of the spike protein DNA – Process 2
    3.3. Transcription to produce the RNA
    3.4. RNA-Processing
    3.5. Purification of the synthetic mRNA
    3.5.1. Purification of the synthetic mRNA – Process 1
    3.5.2. Purification of the synthetic mRNA – Process 2
    3.6. mRNA is packaged into lipid nanoparticles
    3.7. A few conclusions

    3.1. Extraction of the genetic information

    The first step is the identification of the genetic information (DNA) for the desired protein, in this case, the Spike protein of the coronavirus.

    Fig. 1: The genetic information of the SARS-CoV-2 Spike protein serves as the DNA template

    The identified DNA of the Spike protein serves as a template for mRNA synthesis in the manufacturing process. In this context, the identified DNA sequence is often referred to as the „DNA matrix” or „DNA template“.

    To access the DNA of the Spike protein, one must first isolate the virus from an infected sample, such as blood or tissue. Subsequently, the virus is sequenced to determine the exact sequence of nucleotides (the genetic ‚letters‘) in the virus DNA. The obtained genetic information is then entered into public databases. This allows researchers and biotechnicians to access previously published genetic data, even if they have not isolated the virus themselves. With the sequencing data of the virus, biotechnicians are able to synthetically produce the Spike protein.

    It is common for research teams or companies to access previously published genetic data provided by other researchers in public databases. This approach is briefly described by Francis Aurelio deSouza, CEO of Illumina (2016 to 2023), in the discussion „World Economic Forum Panel on Preparing for the Next Pandemic“ (Minute: 12:20-13:51) regarding SARS-CoV-2.

    3.2. Replication of the spike protein DNA

    3.2.1. Replication of the spike protein DNA – Process 1
    3.2.2. Replication of the spike protein DNA – Process 2

    3.2.1. Replication of the spike protein DNA – Process 1

    ‚Process 1‘ utilizes PCR devices for DNA replication, an in vitro procedure. The term ‚in vitro‘ refers to experiments or processes conducted outside of a living organism, typically in a test tube or a Petri dish. PCR mimics DNA replication as it occurs in living organisms.

    Since the beginning of the COVID-19 pandemic, we are all familiar with the abbreviation PCR. However, very few people know what PCR is and how it works. Therefore, here is a brief overview.

    Polymerase Chain Reaction (PCR)

    PCR is the abbreviation for Polymerase Chain Reaction. With the help of the Polymerase Chain Reaction, many copies of a specific DNA segment can be produced in vitro.

    To initiate a Polymerase Chain Reaction (PCR), various ingredients and equipment are required:

    a) The DNA-Template to be replicated (see Fig. 1)

    b) Nucleotides: To synthesize new DNA, many nucleotides are needed as they are the building blocks of DNA. There are four types of nucleotides in total, carrying the genetic information: Adenine (A), Thymine (T), Cytosine (C), and Guanine (G).

    Fig. 2: Nucleotides

    c) DNA Polymerase: DNA polymerase is an enzyme that plays a crucial role in DNA synthesis. It can be likened to a builder. DNA polymerase takes the existing DNA as a template and uses nucleotide building blocks to construct a new DNA strand. It assembles these building blocks in the correct sequence to ensure that the copy of the DNA looks exactly like the original.

    d) Primer: A primer is a short DNA sequence that serves as a starting point for DNA synthesis. The primer acts as a guide for the DNA polymerase, indicating where it should start copying the DNA and in which direction it should proceed.

    Fig. 3: Schematic representation of the DNA polymerase enzyme and the primer

    e) Buffer solution: The buffer solution creates a stable and controlled environment for the PCR, allowing the DNA polymerase to work efficiently. It optimizes the pH, stabilizes enzyme activity, and ensures that the necessary ions (usually magnesium ions) are present to enable successful DNA synthesis.

    Or to put it simply: The buffer solution in PCR is like the broth in a soup. Think of the PCR reaction as cooking a complex dish where all ingredients must interact perfectly. The buffer solution plays the role of the broth, not only influencing the taste but also ensuring that everything runs smoothly. In short, the buffer solution is like the „broth“ that makes the PCR a successful „dish“, with DNA polymerase being the main ingredient.

    f) Thermocycler: A device that automatically performs PCR temperature cycles. It allows precise control of the temperature for the various PCR steps.

    Fig. 4: Schematic representation of the buffer solution and a thermocycler

    Procedure of the Polymerase Chain Reaction

    All ingredients such as the DNA template, nucleotides, DNA polymerase, and primers are added to a tube containing buffer solution. The tube is then placed into the thermocycler. The basic steps of the procedure include denaturation, primer annealing, and DNA synthesis.

    Step 1 – Denaturation (splitting): The PCR begins with heating the DNA template in the thermocycler. The DNA is heated to approximately 94-98°C for about 20-30 seconds. This process separates the two strands of DNA (denaturation) as the bonds between the nucleotides break apart. From a double-stranded DNA, two single-stranded DNA molecules are formed, which serve as templates for their replication.

    Fig.5: Denaturation

    Step 2 – Primer annealing: In the second step, the reaction mixture is cooled to approximately 50-65°C. Now the primers bind to the respective individual strands of DNA. The primers serve as starting points for DNA synthesis. In PCR, two primers are used, one for each strand of DNA, to mark the desired region to be amplified. The principle of complementary base pairing applies (Adenine with Thymine and Guanine with Cytosine).

    Fig. 6: Primer annealing

    Step 3 – DNA synthesis: This step is also known as amplification (Latin amplificatio: amplification), elongation (Latin elongare: to lengthen) or polymerization (Greek poly: many; Greek meros: part). The temperature is set to the optimum working temperature of the DNA polymerase (approximately 70°C). The DNA polymerase binds to the primer and starts the synthesis of the new DNA strand. Meanwhile, it reads the single strand of the DNA template in the 3′ to 5′ direction and synthesizes the new DNA in the 5′ to 3′ direction. This is done using the base pairing rules (A with T and G with C), resulting in two new double strands.

    Fig. 7: DNA synthesis

    Cycle repetition

    The resulting DNA double strands serve as templates for the next cycle. Steps 1 to 3 are repeated until the required amount of DNA is achieved. Each cycle doubles the amount of DNA. The term „Polymerase Chain Reaction“ describes the cyclic nature of this technique. It illustrates that the process is repeated in consecutive cycles, with each round leading to an exponential increase in DNA (1-2-4-8-16-32, etc.).

    Fig. 8: Exponential Amplification of DNA
    3.2.2. Replication of the spike protein DNA – Process 2

    ‚Process 2‘ utilizes living cells, specifically bacteria, for DNA replication, which is an in vivo procedure. In vivo (Latin for ‚within the living‘) refers in science to processes that occur within a living organism.

    a) Why bacteria?
    b) The bacterium Escherichia coli (E. coli)
    c) Plasmids
    d) Plasmids in genetic engineering
    e) Plasmids in vaccine production
    f) Incorporation of the spike protein DNA into the plasmid
    g) Transfer of the modified plasmids into bacteria
    h) Multiplication of the bacteria
    i) Harvesting the bacteria
    j) Modified plasmids isolation
    k) Linearization of the spike protein DNA
    a) Why bacteria?

    The core of evolution lies in the continuous alteration of genetic material. This flexibility is crucial for organisms to successfully adapt to new environmental conditions over the course of generations. There are various ways in which living organisms modify their genetic material. Mutations change existing genetic elements, while gene transfer can add new elements.

    For higher, multicellular organisms, genetic mixing typically occurs through the mating of individuals of the same species. The union of paternal and maternal germ cells results in the creation of a new organism with a unique genetic composition.

    In contrast, single-celled organisms like bacteria do not exhibit sexual reproduction and instead reproduce through simple division. During division, the bacterial cell forms two identical daughter cells. This process begins with the duplication of genetic material within the cell, followed by the division of the cell itself.

    Fig. 9: Bacteria divide

    In prokaryotes such as bacteria, everything necessary for survival, reproduction, and evolution occurs within the single cell. Nevertheless, they also strive for genetic exchange and are considered highly adaptable.

    In contrast to eukaryotes like humans, the genetic material of bacteria, their DNA, is not packaged within a nucleus. It floats freely inside the cell, in the so-called cytoplasm.

    Fig. 10: Structure of a bacterium

    The majority of the genetic material is stored in a single DNA molecule called the bacterial chromosome. Additionally, bacteria possess independent, ring-shaped DNA molecules known as plasmids. These plasmids play a significant role in gene transfer as they often carry important additional genetic information. [Gentechniken]

    Plasmids enable bacteria to exchange this additional information with each other. This gene transfer enables bacteria to rapidly acquire new genetic information, which can give them advantages in adapting to the environment, resistance to antibiotics or the ability to utilize new food sources. This mechanism grants bacteria the ability to effectively adapt to changing environmental conditions and survive successfully.

    The ability to introduce and manipulate genetic material in bacteria, particularly through the use of plasmids, has marked an important milestone in the development of genetic engineering.

    The birth of genetic engineering can be traced back to the experiment conducted by Stanley Cohen and Herbert Boyer in 1973. In this experiment, they introduced a plasmid into bacteria and demonstrated that the inserted gene could be expressed in the bacteria; meaning the gene was activated in the bacteria. This was the first successful attempt to transfer a gene from one species to another. The plasmid used carried antibiotic resistance genes, which allowed the scientists to distinguish the transformed bacteria from the non-transformed ones. This groundbreaking work laid the foundation for modern genetic engineering. [Das Cohen-Boyer-Experiment]

    b) The bacterium Escherichia coli (E. coli)

    In science and research, the bacterium Escherichia coli (E. coli) is commonly used for several reasons:

    • E. coli can be easily cultured and propagated in the laboratory.
    • The replication time of E. coli is relatively short, typically ranging from 20 to 30 minutes.
    • The genome of E. coli is well-researched and understood.
    • E. coli is easily genetically manipulated.
    • Cultivating E. coli is cost-effective compared to some other organisms.
    Fig. 11: Escherichia coli

    Escherichia coli is the best-studied organism in terms of molecular biology and genetics and is therefore also known as the geneticist’s pet.

    For these reasons, E. coli is also used in vaccine development.

    c) Plasmids

    Plasmids are additional DNA molecules in bacteria that exist independently of the bacterial chromosome. They are smaller than the bacterial chromosome and can vary in number within the cell. Plasmids are present as double-stranded DNA. They are usually ring-shaped, which means that the DNA is arranged in a closed circle. This ring-shaped structure distinguishes plasmids from the linear DNA found in the cell nucleus of eukaryotes (such as humans).

    Fig. 12: Schematic representation of the DNA of Escherichia coli

    A plasmid can carry various genetic information. For example, it might contain a gene for antibiotic resistance, a gene for the production of a specific protein, or other useful genes.

    To enable scientists to see which genes are present on the plasmid and how they are arranged, they use so-called „plasmid maps“. The plasmid map is a schematic representation of the genetic structure of the plasmid DNA. The following figure aims to explain basic terms.

    Fig. 13: Plasmid map – schematic representation of the plasmid genes

    ORI (Origin of Replication): In the plasmid DNA, there is a special region known as the „origin of replication“ (ORI) or simply „ORI“. The origin of replication acts as the starting point for the duplication of the plasmid. When the bacterium senses the need to reproduce (under favorable environmental conditions and internal signals), it can activate this starting point, and the plasmid makes a copy of itself. For successful replication of the plasmid, this ORI must match the bacterium, much like a key fitting into a lock. If the ORI and bacterium are compatible, the plasmid can replicate independently, even apart from cell division.

    Selectable Marker: These are special gene segments that give the bacteria a survival advantage under certain conditions. These are often antibiotic resistance genes that allow the bacteria to survive in a medium with a specific antibiotic.

    Promoter: The promoter is a specific DNA region that controls the activity of genes. It acts as a start signal that initiates gene expression, allowing proteins to be produced from the genes. The promoter is important because it influences the timing and quantity of protein synthesis. It regulates when and to what extent certain genes on the plasmid are transcribed, thereby controlling the production of the corresponding proteins.

    Restriction sites: Restriction sites are specific DNA sequences on a plasmid that can be recognized and cut by restriction enzymes. Restriction enzymes are proteins that tend to cut DNA at specific sequences. Bacteria use restriction sites as part of their defense strategy. When a bacterium encounters foreign DNA that does not belong to it, it can use restriction enzymes to cut and destroy this DNA.

    d) Plasmids in genetic engineering

    Although restriction enzymes are originally part of the bacterial defense against foreign DNA, scientists in genetic engineering use these enzymes specifically for gene transfer.

    When a researcher wants to insert DNA into a plasmid, for example, they can use restriction enzymes. These enzymes act like tiny molecular scissors. They recognize a specific sequence of DNA letters (nucleotides) in the DNA. This sequence is called a restriction site. When the restriction enzyme encounters the specific DNA sequence, it binds to it and cuts the DNA at that specific location. It cuts both strands of the DNA, breaking the DNA at that site. This cut creates two separate DNA fragments. These fragments can be further used by inserting foreign DNA into this gap and reconnecting the ends with an enzyme called DNA ligase.

    This mechanism is called restriction digestion. It allows for the introduction of foreign DNA into a plasmid. It is a key technology in genetic engineering for performing targeted genetic manipulations and transferring genes into bacteria.

    Figure 13-b shows a plasmid map with an inserted gene, also referred to as an insert gene.

    Insert Gene: The insert gene is the actual gene or genetic sequence that is introduced into the plasmid. This can be a gene that codes for a specific protein or other genetic information that is to be examined or expressed.

    A short, animated summary of what a plasmid is and what it is used for can be found here.

    e) Plasmids in vaccine production

    The ability of the plasmid to replicate itself makes it very useful for research and biotechnology. It can be used to produce large quantities of a specific foreign DNA that has been introduced into the plasmid beforehand.

    f) Incorporation of the spike protein DNA into the plasmid

    The DNA for the spike protein of SARS-CoV-2 is inserted into the plasmid; sometimes referred to as „cloning“. Special enzymes act as genetic scissors (restriction enzymes) and glues (ligases). They cut the plasmid at a specific site and insert the spike protein gene. Once the gene is in place, the plasmid is closed again.

    Fig. 14: Insertion of the SARS-CoV-2 spike protein gene into a plasmid

    The spike DNA, however, is not introduced into the plasmid alone but along with other genetic elements.

    As already mentioned at the beginning, Speicher et al. found other sequences during their investigation of the Pfizer and Moderna vaccines, including ORI, SV40 components, and an antibiotic resistance gene.

    Let’s take a look at a simplified representation of the Pfizer and Moderna plasmid cards. More detailed representation can be found here.

    Fig. 15: Simplified representation of the Pfizer and Moderna plasmid cards

    ORI (Origin of Replication): The ORI serves as the starting point for DNA replication. It provides signals that inform the replication machinery where to initiate DNA duplication.

    Spike-Protein-Gene: The Spike protein gene encodes for the Spike protein, which is present on the surface of the SARS-CoV-2 virus and plays a crucial role in infecting host cells.

    SV40-Gene-Components: SV40 stands for Simian Virus 40, a virus found in monkeys. SV40 can infect both monkeys and humans. The SV40 enhancer gene and the SV40 Origin of Replication (Ori) are commonly used tools in molecular biology to promote gene expression and DNA replication in cells. (Gene expression refers to the process where the genetic information of a gene is converted into a functional protein.) SV40 gene components were only found in the Pfizer.

    Antibiotic Resistance Gene: This gene encodes a trait that protects bacteria from antibiotics. In genetics, it is often used as a selectable marker. Only those bacteria that have taken up the foreign gene via the plasmid survive in an environment with the corresponding antibiotic. This makes it possible to obtain only those bacteria in the production process that have successfully taken up the modified plasmid. Moderna uses the „Kanamycin resistance gene“ and Pfizer the „Neo/Kan resistance gene“. Neo/Kan resistance gene is an abbreviation for a gene that is responsible for resistance to the antibiotics neomycin and kanamycin.

    g) Transfer of the modified plasmids into bacteria

    The modified plasmids, now carrying the Spike protein gene, are then introduced into the E. coli bacteria. This process is called transformation. The bacteria take up the plasmid and integrate it into their cellular structure.

    In molecular biology and genetic engineering, plasmids are often referred to as vectors when they are used to transport and replicate foreign genetic information. Vectors serve as carriers for transferring foreign DNA into a host cell (bacterium).

    Fig. 16: The plasmid as a vector
    h) Multiplication of the bacteria

    The bacteria are now placed in a fermenter. A fermenter, also known as a bioreactor, is a device used in biotechnology to produce products such as antibiotics, enzymes, vitamins or vaccines. They can be used for large-scale production. A fermenter enables the precise control of factors such as temperature, pH value, aeration, stirrer speed, nutrient supply and others.

    The nutrient medium in the fermenter contains all the necessary nutrients for the bacteria. Under these favorable conditions, the bacteria begin to multiply. During this multiplication, the plasmids within the bacteria also replicate.

    To ensure that only the bacteria that have taken up the plasmid with the spike protein gene multiply, the antibiotic is added to the bacteria in the fermenter. Only the bacteria that have successfully inserted the modified plasmid survive, as the spike protein gene is located in the same plasmid as the antibiotic resistance (see Figs. 15 and 16).

    E. coli bacteria can divide once every 20-30 minutes. Within a few days, a colony of trillions of bacteria with modified plasmids carrying the genetic information of the spike protein has developed in the fermenter.

    i) Harvesting the bacteria

    After the E. coli cells have produced the plasmid with the SARS-CoV-2 spike sequence, they are harvested. „Harvesting“ refers to the process by which cells are removed from the culture media and collected. Collection is usually done by centrifugation, which concentrates the cells at the bottom of a container.

    j) Modified plasmids isolation

    The isolation of the modified plasmids is achieved by lysing the bacteria, followed by various purification steps to remove impurities. „Lysis“ refers to the process of deliberately breaking or destroying the cell membrane of E. coli cells to release the cellular contents.

    Fig. 17: Harvesting and lysis of the bacteria

    The rupture of the cell membrane during the lysis process results in the entire cellular content, consisting of DNA, proteins and other molecules, being released. After lysis, the cellular content of the bacteria and the remaining part of the cell membrane are found in the solution (Figs. 17 and 18).

    Fig. 18: Additional components of the solution after bacterial lysis

    Therefore, after lysis, the extracted material is purified using various methods to isolate the modified plasmids. Purification steps remove unwanted impurities such as proteins and other cellular components (see Section 3.5.2. Purification of synthetic mRNA in Process 2).

    At this stage, the plasmids exist in their circular structure.

    k) Linearization of the spike protein DNA

    The isolated plasmid is now specifically cut using a restriction enzyme. This restriction enzyme recognizes the specific DNA sequence of the SARS-CoV-2 spike and cuts it out of the plasmid. The cut creates a linear form of the SARS-CoV-2 spike sequence, which is now more accessible for transcription. Linear DNA is generally better recognized by the enzymes responsible for transcription.

    Fig. 19: Linearization of the Spike Protein DNA

    3.3. Transcription to produce the RNA

    Transcription is the process by which RNA is synthesized from DNA, or in other words, transcription is the „rewriting“ of DNA into RNA. In vitro transcription (IVT) is carried out using enzymes known as RNA polymerases (see Fig. 20).

    Fig. 20: Transcription – Rewriting DNA into RNA

    The transcription process consists of three main phases:

    Initiation: The RNA polymerase binds to the beginning of the DNA template. It recognizes specific DNA sequences known as promoters, which define the starting point of transcription. To initiate transcription, the DNA template is first denatured. This means that the double helix of DNA is separated to make the single-stranded DNA accessible for RNA synthesis.

    Elongation: Now, the RNA polymerase moves along the DNA template and reads it. Polymerases move from 5′ to 3′ (more on this here). During reading, the RNA polymerase builds the RNA strand using RNA nucleotides (the building blocks of RNA). This is done by forming complementary base pairs between the RNA nucleotides and the bases of the DNA template. The base pairing takes place between adenine (A) and uracil (U), as well as between cytosine (C) and guanine (G).

    Termination: Transcription ends at a specific stop signal on the DNA. The RNA polymerase separates from the DNA and the synthesized RNA is released.

    A single-stranded RNA is formed from the double-stranded DNA. DNA and RNA are similar in composition and structure, but have significant differences:

    Function: DNA contains the genetic information required for the structure and function of an organism. RNA is responsible for converting the genetic information into proteins.

    Structure: DNA is normally arranged as a double helix, with two strands intertwined. RNA is usually present as a single strand, although it can adopt certain regional double helix structures.

    Bases: Both contain adenine (A), cytosine (C), and guanine (G), but in DNA, thymine (T) is used, while in RNA, uracil (U) occurs instead of thymine. This means that base pairing in DNA is adenine-thymine (A-T) and cytosine-guanine (C-G), whereas in RNA, it is adenine-uracil (A-U) and cytosine-guanine (C-G).

    Stability and Lifespan: DNA is typically more stable and has a longer lifespan than RNA. RNA molecules can be degraded more quickly in the cell, and this is due to the presence of uracil. Uracil is an unstable base that can be readily degraded by enzymes.

    Why does the organism use uracil in RNA?
    The rapid degradation of RNA helps the cell to adapt quickly to changes. The short lifespan of RNA enables the cell to swiftly alter its genetic information, which is especially important for processes such as cell division and adaptation to new environmental conditions. Uracil also allows the cell to quickly turn genes on or off, which is crucial for adapting to different conditions. In summary, uracil in RNA provides the cell with more flexibility and control over its genetic information, significantly influencing its adaptability and survival capability.

    Uracil is a component of uridine, a compound that additionally contains sugar. Uridine is thus a molecule composed of uracil and sugar, both of which are constituents of RNA (see Fig. 21).

    Fig. 21: Nucleotide – Basic Building Block of RNA

    For the production of mRNA vaccines, pseudouridine is used instead of uridine to ensure stable RNA that is degraded more slowly. [Kariko et al.]

    Both the Pfizer and Moderna mRNA vaccines contain pseudouridine mψU instead of uridine. [Science]

    During transcription, the synthetic nucleoside N-methyl-pseudouridine (mψU) is incorporated into the artificial RNA instead of the natural nucleoside uridine (see Fig. 22).

    Fig. 22: Transcription – Rewriting DNA into RNA (pre-mRNA) with Pseudouridine instead of Uridine

    During transcription, however, undesirable byproducts such as DNA-RNA hybrids and double-stranded RNA (dsRNA) can also be generated.

    DNA-RNA-Hybrids

    The formation of DNA-RNA hybrids during transcription occurs when the emerging RNA strand binds to a single DNA strand. This byproduct consists of a portion of DNA and a portion of RNA, resulting in a hybrid molecule.

    Fig. 23: DNA-RNA-Hybrid

    After in-vitro transcription (IVT), the degradation of these DNA-RNA hybrids does not occur spontaneously as in living cells. To remove such byproducts, specific purification steps are carried out (see Section 3.5.2).

    Double-stranded RNA (dsRNA)

    The formation of double-stranded RNA (dsRNA) during in vitro transcription (IVT) of messenger RNA (mRNA) is also an undesirable byproduct. [NIH – Doppelsträngige RNA…]

    As described above, transcription initiates once the DNA template is denatured, meaning it is separated into two individual strands. At this point, the RNA polymerase binds to the resulting single-stranded DNA template and initiates the synthesis of a complementary RNA strand. Under specific conditions, such as in a denaturing environment, the freshly synthesized RNA strands may tend to interact with each other and form a double-stranded structure. This can occur in two ways:

    Intermolecular Base Pairing: Two RNA strands synthesized from different DNA templates can interact with each other and form base pairs.
    Intramolecular Base Pairing: A single RNA strand can fold upon itself and form base pairs with itself.

    Fig. 24: Double-stranded RNA (dsRNA)

    Specific purification steps (see Section 3.5.2) are employed to remove such byproducts.

    3.4. RNA-Processing

    RNA processing involves a series of modifications that occur after transcription to convert the RNA (pre-mRNA) into mature, functional mRNA.

    In the production of mRNA for vaccines, efforts are made to mimic the natural processes of transcription and post-transcriptional modifications that typically occur in cells of eukaryotes (like humans). The synthetically produced mRNA is designed to replicate certain characteristics of naturally occurring mRNA.

    Fig. 25: pre-mRNA

    A functional mRNA that serves as a vaccine must have the structure of a normal cellular mRNA, including a special protective cap at the 5′-end and a stabilization tail at the 3′-end. These modifications are important for the stability of the mRNA and its efficient translation into proteins.

    Therefore, the modifications of the pre-mRNA include the addition of the protective cap (mRNA-capping) and the stabilization tail (polyadenylation).

    mRNA-capping: mRNA capping takes place during transcription, while the RNA polymerase reads the DNA strand and synthesizes the mRNA. As soon as the mRNA has synthesized a short piece, the protective cap, consisting of 7-methylguanosine, is added to the 5′-end of the mRNA. This modification protects the mRNA from degradation by nucleolytic enzymes.

    Polyadenylation: Polyadenylation occurs shortly after transcription by binding a long chain of adenine nucleotides to the 3′-end of the mRNA. This poly-A tail increases the stability of the mature mRNA and protects it from degradation. The poly-A tail can be several hundred nucleotides long. The frequency of mRNA being read is regulated by the poly-A tail, as it gradually shortens during translation, the process by which proteins are synthesized based on the mRNA template. This continues until the poly-A tail is completely removed, leading to mRNA degradation.

    Fig. 26: mature mRNA

    3.5. Purification of the synthetic mRNA

    3.5.1. Purification of the synthetic mRNA - Process 1
    3.5.2. Purification of the synthetic mRNA - Process 2
    3.5.1.  Purification of the synthetic mRNA – Process 1

    The purification of PCR products and in vitro transcribed RNA is an important step to remove contaminants such as unincorporated nucleotides, DNA templates, and enzymes.

    Several methods are available for purification. According to information on the manufacturing process provided by the EMA „EPAR for the BioNTech/Pfizer COVID-19 Vaccine“ (in Section 2.2. on page 32), purification using magnetic beads is used in ‚Process 1‘.

    Magnetic bead purification

    For the purification of mRNA, magnetic beads are typically engineered to selectively bind to RNA. This can be achieved by using special probes that are attached to the surface of the beads. These probes consist of a sequence of thymines (T) that are complementary to the adenines (A) in the poly-A tail of the mRNA (see Fig.27).

    Fig. 27: Poly(A) RNA molecule bind to Poly(T) magnetic bead

    The purification process then proceeds as follows (see Fig.28).

    (a) The magnetic beads, coated with specific thymine molecules, are added to the vaccine solution containing the desired mRNA. (b) The molecules on the magnetic beads have an affinity for the target molecules of the mRNA, the adenines on the poly-A tail, and selectively bind to them. (c) After the magnetic beads have bound the target molecules, a magnetic field is applied. The magnetic beads with the bound mRNAs are attracted by the magnet and pulled to a specific area of the vessel. (d) Several washing steps are performed to remove unbound impurities, with fresh buffer solution added. A buffer solution is a liquid that ensures the conditions of the target molecules and the magnetic beads are just right for them to work together. At the same time, it helps to stabilize the pH of the liquid so that everything works well. (e) To separate the bound mRNA from the magnetic beads, a special solution, an elution buffer, is added. The conditions in the elution buffer cause the magnetic beads to release the bound mRNAs. The released mRNAs can now be used in a concentrated form for subsequent processing steps.

    Fig. 28: Magnetic Bead Purification

    Further detailed information on magnetic bead purification can be found here and here.

    According to official information, magnetic bead purification is only carried out as part of ‚Process 1‘. With the transition to large-scale production (Process 2), the purification method also changes. This change could be related to the magnetic force, which plays a crucial role in precise separation in large volumes. It is noted that simple magnets are considered limited as their magnetic force decreases rapidly with increasing distance. [sepmag]

    3.5.2. Purification of the synthetic mRNA – Process 2

    During the production of mRNA by plasmids and in vitro transcription, various impurities are introduced or generated. [ScienceDirect]

    It is therefore necessary to purify the vaccine solution with the desired mRNA from potential contaminants and other materials. Potential contaminants include remnants of the DNA template, double-stranded RNA, DNA-RNA hybrids, endotoxins, excess RNA polymerase and basic impurities. [securecell]

    Endotoxins: Endotoxins are toxic components of bacteria, more precisely of gram-negative bacteria such as the bacterium Escherichia coli (E. coli). These endotoxins are components of the outer membrane of bacteria and can cause strong immunological reactions in the organism.

    DNA templates: The DNA templates (SARS-CoV-2 spike sequence) are read during transcription and serve as a template for RNA synthesis. The remnants of these DNA templates are still present in the vaccination solution and must therefore be carefully removed to ensure purity and safety.

    Double-stranded RNA (dsRNA): During the transcription process, double-stranded RNA (dsRNA) can be formed as an intermediate product. [PubMed]
    Double-stranded RNA is considered immunogenic because it is recognized as a potential indicator of viral infection in many organisms, including mammals. There are various types of receptors that recognize double-stranded RNA as foreign and can trigger an immune response.

    DNA-RNA hybrids: During the transcription process, hybridization can occur between the DNA template and the newly synthesized RNA. The RNA can partially bind to the DNA and thus form a DNA-RNA hybrid. If such hybrids remain in the vaccine solution, they could potentially trigger undesirable immunological reactions or other unforeseen effects.

    RNA polymerase: Excess RNA polymerase, the enzyme that carries out transcription, can be a potential contaminant. Overexpression or incomplete removal of this enzyme could lead to undesirable effects. (Enzymes belong to the proteins).

    Basic impurities: This term refers to contaminants that can be introduced during the various manufacturing steps. These may include buffers, enzymes, proteins, or other chemical substances used during the manufacturing process.

    Various methods are available to purify the transcribed mRNA. According to the information provided by the European Medicines Agency (EMA) in the „EPAR for the BioNTech/Pfizer COVID-19 Vaccine“ (Section 2.2, page 32), during the manufacturing process of ‚Process 2‘, Proteinase K digestion and UFDF (Ultrafiltration/Diafiltration) steps are applied. Another purification step mentioned in the EMA document (on pages 17 and 40) is DNase I treatment.

    In addition, leading biotechnology companies such as MERCK and SARTORIUS mention chromatography as a further purification step in the production of mRNA vaccines.

    The official documents do not provide detailed insights into the exact steps of purification throughout the entire manufacturing process of the current COVID-19 mRNA vaccines. Since the main goal of this article is to provide basic knowledge in this field in an understandable manner, the following section will only describe purification steps at a specific point in the process as an example. It is important to note that the exact composition and sequence of purification steps may vary under real production conditions and are often much more complex. [QdB] Further in-depth information on this topic can be found in the publications of MERCK (Herstellungsstrategien für mRNA-Impfstoffe und Therapeutika) and SARTORIUS (Overview of Sartorius Solutions serving mRNA Processing, Page 7).

    In the following, we will consider the following purification steps:

    a) DNase I treatment
    b) Proteinase K digestion
    c) UF/DF (Ultrafiltration/Diafiltration) steps
    d) Chromatography
    a) DNase I treatment

    DNases are enzymes capable of cutting DNA. In this context, terms like ‚cleaving‘ and ‚digesting‘ DNA are often used. DNases act like tiny scissors, cutting the DNA into smaller fragments. There are different types of DNases, which differ in their ability to cut DNA at specific or nonspecific sites.

    DNase I, which is often obtained from bovine pancreas, cuts the DNA non-specifically, i.e. it can strike at different points on the DNA strand.

    In vaccine production, DNase I is used to cleave the existing DNA in the solution into smaller fragments. These smaller DNA fragments can then be more easily removed by subsequent purification steps.

    Fig. 29: Schematic representation of DNase I as a purification step

    The effect of DNase I on DNA can vary depending on the presence of magnesium ions (Mg2+) and manganese ions (Mn2+). The type of ions influences the specific cutting patterns of DNase I, which can result in different types of DNA fragments, including both single-stranded (ssDNA) and double-stranded (dsDNA) DNA fragments. [bioswisstec, YEASEN]

    In the presence of Mg2+, DNase I cuts the double-stranded DNA independently at randomly selected sites. This results in single-stranded DNA fragments (ssDNA fragments).

    In the presence of Mn2+, DNase I cuts both dsDNA strands at approximately the same position. This can lead to the formation of double-stranded DNA fragments (dsDNA fragments) if the cut fragments overlap or have common areas. Single-stranded DNA fragments (ssDNA fragments) with overhanging ends can also be formed.

    Fig. 30: Schematic representation of DNase I as a function of Mg and Mn

    Pfizer-BioNTech supplier Thermo Fisher Scientific discusses the effectiveness of DNase I in an online article. The text makes it clear that the effectiveness of DNase I depends on various factors, such as the initial DNA contamination. It is explained that DNase I is able to cleave double-stranded DNA (dsDNA) efficiently, while its activity for single-stranded DNA (ssDNA) is 500-fold lower. When it comes to activity on RNA-DNA hybrids, it is less than 1-2% of the activity on dsDNA. The paper points out that it is most likely difficult to completely remove every single DNA molecular chain when preparing RNA samples.

    b) Proteinase K digestion

    Proteinase K is an enzyme that belongs to the class of proteases. These enzymes have the ability to hydrolyze proteins, meaning they break them down into smaller fragments such as peptides or amino acids. The proteins in the vaccine solution may originate from bacterial components as well as from adjuvants and stabilizers used during the manufacturing process.

    The mechanism of action of Proteinase K begins with its binding to the protein. Following this binding, Proteinase K cleaves the proteins into smaller fragments. Subsequently, the resulting fragments are released from the enzyme.

    Fig. 31: Schematic representation of Proteinase K as a purification step

    After inactivating Proteinase K, a purification of the vaccine solution is often carried out to remove the unwanted residues. Filtration steps can be employed to remove the smaller fragments.

    c) Purification step: UF/DF

    The abbreviations ‚UF‘ and ‚DF‘ stand for ‚Ultrafiltration‘ and ‚Diafiltration‘ respectively. Ultrafiltration separates molecules based on their size, while diafiltration helps to further remove impurities and concentrate the desired product. Together, they are referred to as the UF/DF process. The combination of Ultrafiltration/Diafiltration (UF/DF) is a common method for purifying biological products such as mRNA.

    Ultrafiltration is a process that involves a specialized type of filtration using a semipermeable (partially permeable) membrane with defined pore sizes. Through this membrane, molecules can be separated based on their size. Smaller molecules can pass through the membrane, while larger molecules, such as mRNA, are retained.

    Fig. 32: Only smaller molecules pass through the membrane

    During diafiltration, fresh buffer (a specialized liquid or vaccine solution) is continuously added during ultrafiltration. This helps further dilute impurities and, for example, concentrate the mRNA in an appropriate buffer solution.

    The predominant technique for ultrafiltration/diafiltration (UF/DF) is tangential flow filtration (TFF). [ROCKER]

    Tangential flow filtration

    „The traditional filtration method, known as dead-end filtration or direct flow filtration, involves the vertical flow of the sample through the membrane, allowing small molecules to pass through and be separated. However, this method has the drawback of causing macromolecules to accumulate on the membrane surface and form a filter cake layer. With increasing filtration time, the layer becomes thicker, leading to reduced filtration efficiency and shorter membrane lifespan.

    Fig. 33: Dead-End-Filtration vs Tangential-Flow-Filtration

    In contrast, in tangential flow filtration (TFF), the sample flow moves horizontally at a tangential angle across the membrane surface. The sample flow is continuously filtered, and during circulation, it flushes the membrane surface, preventing the accumulation of macromolecules and reducing concentration polarization caused by decreased flow rates. This ensures a stable flow rate and effectively prolongs the lifespan of the filter membrane. Tangential flow filtration offers additional advantages as it enables both concentration and diafiltration simultaneously.“ [ROCKER]

    Here are some definitions from the drawing:

    Retentate: The retentate is the material that remains after filtration. In vaccine production, the retentate represents the desired substance, such as mRNA.

    Permeate: The permeate is the material that passes through the filter. In vaccine manufacturing, the permeate represents the substances that are allowed to pass through the filter, which are undesired in the vaccine.

    Fig. 34: Combination of ultrafiltration/diafiltration (UF/DF) with tangential flow filtration (TFF)

    The figure depicts the process of ultrafiltration/diafiltration (UF/DF) using tangential flow filtration (TFF). The vaccine solution flows through the filtration system (referred to here as TFF). Ultrafiltration is employed to separate the mRNA from impurities using membranes with defined pore sizes that only allow molecules below a certain size to pass through. During ultrafiltration, diafiltration is conducted. In this step, the mRNA is washed with an appropriate buffer to further reduce the concentration of undesired impurities and concentrate the mRNA in a suitable buffer solution.

    The result of this process is two products. Firstly, the permeate, which contains the undesirable substances removed from the vaccine solution. And secondly, the retentate, which contains the desired mRNA, mixed with the added buffer.

    To maintain the cycle, a pump returns the retentate back into the container along with any remaining impurities. This allows for the process to be repeated, passing the solution through the UF/DF cycle again. This cycle is repeated until the desired purity and concentration of mRNA is achieved in the final product.

    In an online post by MERCK on „Manufacturing Strategies for mRNA Vaccines and Therapeutics”, tangential flow filtration (TFF) is discussed as a purification method. It is noted that when using TFF, small DNA fragments can hybridize with mRNA, causing additional impurities. However, this risk can be avoided, as explained in the post, by removing the DNA template through separation.

    MERCK refers to a patent from 2014 by Stéphane Bancel, CEO of Moderna, which deals with „Manufacturing methods for the production of RNA transcripts“. It states:

    [0079] The linearized plasmid DNA template is removed from the in vitro transcription, e.g., the DNA template is separated from the RNA transcript. In one embodiment, the DNA template is removed chromatographically using an poly A capture, e.g., oligo dT, based affinity purification step. 

    [0080] It is typical to utilize DNase I to enzymatically digest DNA template immediately following in vitro transcription. In the methods of the invention, DNase is not utilized. Whole plasmid removal is preferred to enzymatic digestion due to the fact that the risk of degraded DNA fragments hybridizing to the transcribed mRNA is mitigated.

    [0082] The method for production of an RNA transcript can include additional purification steps after the in vitro transcription, e.g., an ion exchange chromatography step.

    For comprehensive purification, it is obviously necessary to include an additional chromatography step in addition to DNase I and TFF.

    d) Chromatography

    Chromatography is a method for separating different substances in a mixture. In general, this process involves a mobile phase and a stationary phase. The mobile phase is the mixture of substances to be separated, which moves through the stationary phase. The substances in the mobile phase interact with those in the stationary phase. Due to these interactions, the individual components in the mixture move at different speeds or get stuck, allowing for the separation of the various substances from each other.

    Figure 35 shows various chromatography techniques such as reversed-phase ion pair, anion exchange and affinity chromatography.

    Fig. 35: Comparison of reversed-phase ion pair, anion exchange and affinity chromatography for mRNA purification. [MERCK]

    According to MERCK, poly(dT) affinity chromatography is particularly emphasized for large-scale production. Therefore, the principle of affinity chromatography is explained in more detail in the following step.

    Poly(dT) affinity chromatography

    In affinity chromatography, the idea is that molecules of interest (such as mRNA) have a specific affinity or attraction to a particular material. The attractive forces between the (mRNA) molecules (mobile phase) and the material (stationary phase) are utilized to isolate the desired molecules from a mixture.

    mRNA contains a specific sequence known as Poly(A) (see Fig.36). In affinity chromatography, a column containing a material that includes Poly(dT) is used. Poly(dT) is a chain of nucleotides, all containing the base pair „Thymidine“. Poly(A), on the other hand, is a chain of nucleotides, all containing the base pair „Adenine“. Poly(dT) serves as the „counterpart“ to Poly(A) – they attract each other.

    Fig. 36: Poly(A) of mRNA binds to Poly(dT) material

    The process roughly follows this sequence: A Poly(dT) matrix is placed in a column. One can imagine the column as a cylindrical container filled with a specific Poly(dT) material.

    The vaccine solution containing the mRNA to be purified (see Fig. 37), a) is passed through the column. b) The mRNA binds specifically to the poly(dT) matrix, c) while other components pass through unbound. This step separates the mRNA from the other components. d) The bound mRNA can then be released from the column by changing the conditions or adding specific elution buffers.

    Fig. 37: Schematic representation of poly(dT) affinity chromatography

    Due to the limitation of Poly(dT) affinity chromatography, which does not allow differentiation between double-stranded RNA (dsRNA) and single-stranded RNA (ssRNA), and also does not remove product-related impurities such as DNA fragments that have hybridized to the mRNA, MERCK recommends an additional chromatography step using anion exchange chromatography.

    Anion exchange chromatography

    Anion exchange chromatography (AEX chromatography) is a chromatographic technique for separating molecules based on their different charges. It utilizes differences in net surface charge.

    In this process, a positively charged anion exchange resin is used as the stationary phase to selectively bind and separate molecules with negative charges. This stationary phase typically consists of small beads or particles. The mobile phase, in this case the vaccine solution, contains the target molecule – mRNA, double-stranded RNA (dsRNA), and other potential impurities (see Fig.38).

    The binding between the negatively charged molecules and the resin depends on the strength of the negative charge on the molecules. Molecules with higher negative charge bind more tightly to the resin, while those with lower negative charge have weaker interactions and may elute (detach) more easily.

    a) The process is carried out in a column format in which the vaccine solution is applied to the column containing the positively charged anion exchange resin. Negatively charged molecules in the vaccine solution bind to the resin, b) while unbound molecules are washed away.

    Since both mRNA and dsRNA carry negative charges due to their phosphate groups, the separation occurs based on their different structures and affinities to the anion exchange resin. Often, dsRNA binds more strongly to the resin than mRNA.

    By changing the buffer conditions, such as increasing the ionic strength of the elution buffer or changing the pH value, the bound RNA molecules are gradually eluted from the column. The different affinities of mRNA and dsRNA to the anion exchange resin lead to different retention times (time required for a molecule to pass through the column), whereby c) dsRNA generally binds more strongly to the resin and d) therefore remains bound for longer.

    Fig. 38: Schematic representation of anion exchange chromatography

    In the official EMA document for BioNTech, there are no explicit indications regarding the use of chromatography during the production process. However, „unofficial” working documents from EMA available online list chromatography as a purification step on page 29.

    In a ScienceDirect article (an online platform for scientific journals), it is mentioned that Moderna’s COVID-19 mRNA vaccines were prepared and purified using both anion exchange and Poly dT affinity chromatography.

    3.6. mRNA is packaged into lipid nanoparticles

    The purified mRNA is encapsulated in lipid nanoparticles. These lipid shells protect the mRNA from degradation in the body, promote its uptake into cells, and enable the release of mRNA into the cell interior. The formulated RNA vaccines are now ready for administration.

    Fig. 39: mRNA is packaged into lipid nanoparticles

    3.7. Few conclusions

    The illustrative depiction of the production process in this chapter has not only provided a closer explanation of the structural steps involved in the manufacturing process of mRNA vaccines but has also roughly outlined the technological challenges faced by the manufacturers.

    As indicated by the documents from MERCK, SARTORIUS, and Thermo Fisher Scientific, the research and development of the individual technological steps are still ongoing processes. The EMA documents show that the exchange of information between manufacturers and regulatory authorities regarding some manufacturing parameters is not yet complete. The critical report by Kevin McKernan et al. can be contextualized within this framework.

    4. Methods for measuring DNA and RNA

    Testing the RNA concentration and potential residual DNA (contaminants) is a crucial step in the production process of COVID-19 mRNA vaccines. This measure is of essential importance in the context of product monitoring and quality assurance. It ensures that the manufactured vaccines meet the requirements for purity and efficacy.

    In this chapter, an overview of various measurement methods is provided, which serve as detection methods for RNA and DNA in mRNA vaccines, including:

    4.1. Fluorescence Assay
    4.1.1. quantitative Polymerase Chain Reaction - qPCR
    4.1.2. Fluorometry using DNA- or RNA- dyes
    4.1.3. Qubit-Fluorometry
    4.2. Oxford Nanopore Technology
    4.3. UV Spectroscopy

    These techniques are discussed in more detail to provide readers with an understanding of their principal operation and potential applications.

    4.1. Fluorescence Assay

    A fluorescence assay is a biochemical test in which fluorescence is used as an indicator of the presence or quantity of a specific target molecule. This may also involve the measurement of nucleic acids such as DNA or RNA, whereby fluorescence signals are generated through specific binding of fluorescent dyes or probes to the target nucleic acids.

    A fluorescence assay is determined by criteria such as

    • Specificity (to selectively detect the target molecule),
    • Sensitivity (even at low concentrations of the target molecule),
    • Stability and reproducibility,
    • Robustness (resistant to small variations),
    • Feasibility,
    • Time and cost efficiency..

    Fluorescence assay is an overarching term that encompasses various applications, including quantitative PCR (qPCR), fluorometry with DNA or RNA dyes, qubit fluorometry and many other fluorescence-based techniques. These methods all use the principle of fluorescence to detect, quantify or analyze specific molecules.

    Typically, the results of fluorescence assays such as qPCR, fluorometry with DNA or RNA dyes, and Qubit fluorometry are reported as the amount of DNA per unit volume. The unit is typically nanograms per microliter (ng/µl), indicating the weight of DNA per volume unit.

    4.1.1. quantitative Polymerase Chain Reaction – qPCR

    Quantitative PCR (qPCR), also known as quantitative real-time PCR, is an extension of the conventional PCR technique that allows for the determination of the quantity of a target sequence in a sample. The basic steps of qPCR are identical to those of PCR, as described in the previous section (3.2.1).

    In qPCR, a special dye known as a fluorescent reporter is used as a kind of „light signal“ to measure the amount of DNA during the PCR process.

    There are two different strategies in qPCR that make it possible to determine the amount of DNA: a) dye-based and b) probe-based qPCR.

    a) Dye-based qPCR

    In the analysis, a mixture of nucleotides, a primer pair (forward and reverse), a DNA polymerase, and a fluorophore dye is added to the sample under investigation. SYBR Green is a dye commonly used in quantitative PCR (qPCR) to quantify DNA.

    1) The first step is denaturation, in which the double-stranded DNA is split into two individual strands by heating it to around 95 degrees Celsius. 2) In a subsequent step, the primers bind to specific regions of the DNA target sequence at a lower temperature. 3) In the third step, a new DNA strand is synthesized with the help of DNA polymerase. The dye binds to the newly synthesized double-stranded DNA, generating fluorescence. This fluorescence is measured in each PCR cycle. Typically, 35-40 cycles are run. As the DNA target sequence is amplified, more binding sites for the dye are created, thus the increase in fluorescence directly correlates with the amount of double-stranded DNA present.

    Fig. 40: Dye-based qPCR (schematic representation)

    The primers are crucial: Amplification in dye-based qPCR requires the use of specifically designed primers. These primers bind selectively to specific sequences on the individual strands of the target DNA. DNA synthesis begins only after primer binding occurs.

    With the dye-based method, only one DNA target sequence can be detected at a time. As only one specific primer pair is required, this method is a fast and cost-effective option.

    However, a disadvantage is that the dye may not exclusively bind to the target sequence, leading to inaccurate measurements. To ensure that only the intended DNA sequence was amplified during the polymerase chain reaction (PCR), a melting curve is typically generated after each experiment. This curve is important because each DNA sequence has its own characteristic melting point. A specific and expected melting curve indicates that the amplification was successful and specific.

    b) Probe-based qPCR

    In the analysis, a mixture of nucleotides, a primer pair, and a DNA polymerase is added to the sample under investigation. Additionally, a probe is introduced, which is labeled with a fluorophore (fluorescent dye) and a quencher (suppresses the fluorescence signal) (see Fig. 41). As long as the probe remains intact and is not degraded, the fluorescence signal is suppressed due to the spatial proximity to the quencher.

    1) The first step is denaturation, where the double-stranded DNA is separated into two single strands by heating to about 95 degrees Celsius. 2) In a subsequent step, both the primers and the specific probe bind to specific regions of the DNA target sequence at a lowered temperature. 3) In the third step, facilitated by the DNA polymerase, synthesis of a new DNA strand occurs. During DNA synthesis by the DNA polymerase, the probe is degraded, leading to the separation of the fluorophore from the quencher and the release of the fluorescence signal. In qPCR, the quantity of fluorescent signals generated during DNA synthesis is measured in real-time.

    Fig. 41: Probe-based qPCR (schematic representation)

    The increase in these light signals occurs in direct proportion to the amount of DNA that is amplified during each round of PCR. In other words, the measured fluorescence is proportional to the amount of DNA in the sample.

    Both primers and probes are crucial: The primers bind to specific sequences on the individual strands of the target DNA. DNA synthesis only starts when the primer binds. The probes serve as an additional tool for recognizing and quantifying the target DNA. The probes in qPCR are designed to bind specifically to a particular DNA sequence. This sequence is selected so that it is unique and characteristic of the DNA fragment being searched for. The probes only bind to the target DNA if the sequence is present in the sample. This makes it possible to search specifically for a particular DNA sequence and to quantify its quantity. Therefore, the measurement in probe-based qPCR tends to be more accurate and specific compared to dye-based qPCR.

    Detailed information on how the two qPCR methods work can be found here.

    qPCR can also be used for the quantification of RNA.

    This requires an additional step, the transcription of the RNA into complementary DNA (cDNA). This step is called reverse transcription (RT), and therefore the application of qPCR to RNA is called RT-qPCR or reverse transcription-qPCR. This cDNA then serves as a template for PCR amplification. The qPCR is then performed as described above to determine the amount of specific RNA in a sample.

    Limitations of qPCR

    In the polymerase chain reaction (PCR), the efficient amplification of DNA depends on its specific length. It is known that amplicons (amplified DNA fragments) of more than 100 bp (base pairs) are preferred in quantitative PCR (qPCR). A base pair refers to the bond between two nucleotides (adenine-thymine and cytosine-guanine) within the DNA.

    The reason is that longer amplicons enable more stable amplification and can improve the specific detection of the target gene. Amplicons with fewer than 100 base pairs (bp) may be less specific and tend to generate nonspecific products, which can lead to misinterpretations of qPCR results.

    4.1.2. Fluorometry using DNA- or RNA- dyes

    The fluorometric measurement of nucleic acids relies on the use of specific fluorescent dyes that selectively bind to DNA or RNA. These dyes emit a fluorescence signal only when they are bound to the target. The concentrations of nucleic acids are determined based on the fluorescence signals of the samples.

    Basic steps of fluorometry for DNA and RNA quantification:

    DNA or RNA is extracted from the sample and then purified. Contaminants such as proteins, lipids, or other chemical compounds can interfere with the binding of fluorescent dyes to the DNA or RNA or generate additional signals in fluorometry that do not originate from the nucleic acids.

    A fluorescent dye is selectively chosen to enable specific binding to DNA or RNA. This binding marks the nucleic acids in the sample, facilitating the subsequent quantification of their quantity. The selection of the dye is based on its affinity for specific structures or properties of the nucleic acids. Examples include:

    RiboGreen for RNA: RiboGreen is designed to bind specifically to ribonucleic acids (RNA). This dye does not differentiate between different types of RNA, but rather between RNA and DNA in general.

    PicoGreen for DNA: PicoGreen is highly sensitive to DNA. This dye does not differentiate between different types of DNA, but rather between DNA and RNA in general.

    1) After the specific dyes are added to the sample, they interact with the nucleic acids (DNA or RNA).   2) The dye binds to the target nucleic acids in a specific manner. This binding leads to the release of fluorescence, causing the labeled nucleic acids to emit light. 3) The sample is loaded into the fluorometer, a device designed for fluorescence measurement. The fluorometer excites the dyes in the sample with light of a specific wavelength (λex). The fluorescent dye absorbs this light and emits light at a longer wavelength (λem). The emitted fluorescence is measured, and the intensity of the signal is recorded.

    Fig. 42: Fluorometry with DNA Dyes (schematic representation)

    To ensure accurate results, controls are carried out to ensure that the measured fluorescence originates exclusively from the target nucleic acid. A standard curve is often created in advance for quantification. The concentration of DNA or RNA in the sample is then calculated using this standard curve.

    4.1.3. Qubit-Fluorometry

    Qubit fluorometry is a specialized form of fluorometry used in the quantitative analysis of nucleic acids, particularly DNA and RNA. It relies on the use of fluorescent dyes that specifically interact with nucleic acids and emit a fluorescence signal when bound.

    In contrast to conventional fluorometry techniques, which often rely on measuring fluorescence intensity, Qubit fluorometry uses the measurement of fluorescence signals emitted by dyes bound to nucleic acids. This enables highly sensitive and precise determination of DNA or RNA concentration in a sample, even at very low concentrations.

    DNA measurement

    For sample preparation, a nucleic acid-binding fluorescent dye is used that binds specifically to DNA and emits a fluorescent signal.

    The Qubit fluorometer is calibrated to ensure it correctly responds to the fluorescence signals of the DNA dye solution and performs accurate measurements. A series of standard samples with known concentrations of DNA is prepared. These samples are used to create a standard curve representing the relationship between fluorescence intensity and DNA concentration.

    1) The sample is mixed with the DNA dye solution and loaded into the Qubit fluorometer. 2) The dye binds to the DNA and emits a fluorescence signal. 3) The fluorometer measures the fluorescence signals of the samples and compares them with the standard curve to determine the concentration of DNA in the samples. The measured DNA concentrations are calculated using the standard curve and obtained as results of qubit fluorometry.

    Fig. 43: Qubit Fluorometry (schematic representation)

    The measurement of RNA is carried out similarly using a specific RNA fluorescent dye.

    Qubit fluorometry – a more accurate method for quantifying DNA or RNA

    Qubit fluorometry is often considered a more accurate method for quantifying DNA or RNA compared to other methods such as UV spectroscopy or gel electrophoresis. The main reason for the accuracy of qubit fluorometry is its ability to specifically and selectively measure the fluorescence of nucleic acids without interference from other substances in the sample. This enables precise quantification of nucleic acids, even at low concentrations and in complex samples.

    Although qubit fluorometry is a precise method for measuring the total amount of DNA or RNA in a sample, it cannot distinguish between different sequences. It only measures the total DNA concentration or RNA concentration. If specific information about the DNA or RNA sequence is required, other methods such as qPCR must be used.

    4.2. Oxford Nanopore Technology

    Nanopore sequencing enables real-time analysis of long DNA or RNA fragments.

    Nanopores are tiny openings that are only a few nanometers in size. They are embedded in a membrane made of a conductive material. This special membrane is placed in a chip.

    Fig. 44: Nanopores in conductive membrane on a chip (schematic representation)

    The DNA or RNA sample is first fragmented into smaller pieces. This fragmentation facilitates the transport of the molecules through the nanopores. The fragmented DNA or RNA is then placed in a liquid called an electrolyte solution. This liquid contains dissolved salts and allows the charged molecules to move freely. The electrolyte solution is brought into contact with the nanopores to start the sequencing process.

    A constant electrical voltage is applied to generate a current of ions through the nanopores. This causes the charged DNA or RNA molecules to migrate to the nanopores and pass through them (see Fig. 45).

    Helicase, an enzyme, binds to the double strands of DNA, separates and unwinds them into single-stranded forms to prepare them for transport through the nanopore. The action of helicase is not required for RNA, which is already single-stranded.

    The motor protein, which is part of the helicase, then pushes the single-stranded DNA or RNA through the nanopore. As the DNA or RNA moves through the nanopore, it changes the electrical current flowing through the pore. This electrical signature depends on the sequence of the DNA that is passing through the pore. Each base in the DNA (Adenine, Cytosine, Thymine or Guanine) has a characteristic effect. This change in current is then perceived as a change in electrical voltage, which is measured at the nanopore. Software calculates the DNA sequence from the change in voltage.

    Fig. 45: Oxford Nanopore technology (schematic representation)

    The result of the Oxford Nanopore technique is the sequence of the DNA or RNA sample examined. This sequence can provide information about the genetic composition, length or other important genetic characteristics.

    This video is recommended for a better illustration of nanopore sequencing.

    4.3. UV Spectroscopy

    UV spectroscopy is a common technique for analyzing nucleic acids, which is used to determine the concentration of DNA or RNA in a sample. The principle is based on the absorption of electromagnetic radiation by nucleic acids, especially in the UV range, which leads to characteristic absorption patterns. The following section explains the application of this technique to RNA.

    In UV spectroscopy, special devices known as UV/VIS spectrophotometers are used. These comprise a radiation source, a monochromator consisting of a prism and a diaphragm, and a detector. The RNA to be analyzed is placed on a transparent sample carrier that allows UV light to pass through. During the measurement, the sample is placed between the monochromator and the detector. The monochromator ensures that only radiation of a certain wavelength hits the sample. RNA molecules absorb UV light at certain wavelengths, especially in the range of about 240 to 300 nm (nanometers), due to the presence of bases such as adenine, guanine, cytosine, and uracil.

    Fig. 46: UV-Spectroscopy (schematic representation)

    The RNA solution is irradiated and absorbs part of the light, which attenuates the radiation. The more RNA it contains, the higher the absorption.

    The absorption of UV light by the RNA molecules leads to a characteristic absorption pattern. By measuring the absorption at different wavelengths, UV spectroscopy can provide information about the concentration of RNA in the sample as well as its purity and structure.

    Detailed information on this topic can be found here.

    Although UV spectroscopy is an extremely useful technique for nucleic acid analysis, it also has some disadvantages, such as sensitivity to contaminants. To obtain accurate results, UV spectroscopy requires high purity of the samples.

    If a sample contains both RNA and DNA, it can affect the measurement results of UV spectroscopy. Since both RNA and DNA absorb UV light, the presence of DNA in the sample can lead to an overestimation of the measured RNA concentration. This is because the UV signal originates not only from the RNA but also from the DNA, resulting in an increased absorption value.

    5. Measurement results and their interpretation

    The detailed depiction of the fundamental production steps in the manufacturing and quality assurance of mRNA vaccines in Chapters 3 and 4 lays the groundwork for a deeper understanding of the analytical results of the independent laboratories and the resulting discussions.

    5.1. Guidelines for limiting residual DNA in vaccines
    5.2. The measurement methods used by Pfizer
    5.3. DNA fragments detected in COVID-19 vaccines
    5.3.1. Measurement methods and results of the study
    5.3.2. An unexpected finding: SV-40 promoter/enhancer
    5.3.3. Size profile of residual DNA
    5.4. Reproduction of the study results
    5.4.1. Dr. Phillip Buckhaults
    5.4.2. Dr. Jürgen O. Kirchner and Prof. Dr. Brigitte König
    5.5. Brief summary

    5.1. Guidelines for limiting residual DNA in vaccines

    Currently, the US FDA recommends that manufacturers of viral vaccines limit the amount of residual DNA in the final product for parenteral vaccinations to below 10 ng/dose and restrict the size of the DNA to less than the size of a functional gene or ~200 base pairs. [1] This is also in line with the recommendations of the World Health Organization (WHO). [2, 3] Previous guidelines set by the FDA in 1985 established residual DNA limits at 10 pg/dose (10 pg = 0.01 ng). A WHO study group concluded in 1986 that the risk is negligible up to 100 pg/dose, and in 1996, the WHO further increased the limits to up to 10 ng per dose. [2] [Study]

    [1] https://www.fda.gov/media/113760/download
    [2] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17321940/
    [3] https://cdn.who.int/media/docs/default-source/biologicals/documents/trs_978_annex_3.pdf

    5.2. The measurement methods used by Pfizer

    To ensure compliance with the limits defined by the World Health Organization (WHO) during the production process, Pfizer uses the quantitative Polymerase Chain Reaction (qPCR) measurement method to quantify residual DNA content (see Fig. 47).

    The figure also indicates that the manufacturer employs „UV Spectroscopy“ and fluorescence assay methods to determine the RNA quantity. The term „fluorescence assay“ is a broad term encompassing various measurement methods based on fluorescence. It could be fluorometry with a specific fluorescent dye, as neither qPCR nor qubit fluorometry are explicitly mentioned in the protocol.

    The manufacturer selectively uses different measurement methods to determine the RNA content and DNA content (see also here, here and here).

    Fig. 47: EU Official Control – Quality control tests [Source]

    It is important to note that the measured values for RNA and DNA content depend on the measurement method used. A higher measured RNA content and lower residual DNA quantity typically indicate higher product quality. It should be noted that there are no regulatory requirements specifying which measurement methods should be used for quality assurance.

    5.3. DNA fragments detected in COVID-19 vaccines

    In the study titled „DNA fragments detected in COVID-19 vaccines in Canada“, RNA sequencing of COVID-19 mRNA vaccines was conducted. Dr. David Speicher is the lead author of this study, while Dr. Kevin McKernan is listed as a co-author. The investigation revealed DNA fragments originating from the plasmids used in the manufacturing process. All information provided here is from the study conducted by Speicher et al.

    The study examined 27 COVID-19 vaccine vials originating from Canada and belonging to 12 different batches from Moderna and Pfizer. Here is a detailed list:

    Number of vials per vaccine type:

    • Pfizer-BioNTech BNT162b2: 8 vials (unopened, expired)
    • Moderna Spikevax mRNA-1273: 16 vials (unopened, expired)
    • Moderna XBB.1.5: 3 vials (used, not expired)

    Details of the examined batches:

    • 5 batches of monovalent Moderna vaccines for children/adults
    • 1 batch of bivalent BA.4/5 vaccine for adults
    • 1 batch of bivalent Wuhan-BA.1 vaccine for children and adults
    • 1 batch of monovalent Moderna XBB.1.5 vaccine
    • 3 batches of monovalent Pfizer vaccines for adults
    • 1 batch of bivalent Wuhan-BA.4/5 Pfizer vaccine for adults
    5.3.1. Measurement methods and results of the study

    The study used established and standardized methods for the detection of DNA and RNA, including quantitative polymerase chain reaction (qPCR) and qubit fluorometry techniques, using previously published primer and probe sequences. Oxford Nanopore sequencing was used to determine the size distribution of DNA fragments. The methods used have already been presented in Chapter 4.

    The measurement results are presented in the following tables, with the ranges of the measured values provided. The values in ng/dose (nanograms per dose) represent the measured quantities of DNA per vaccine dose.

    In qPCR, specific primers are used to amplify only the DNA sequences that are specific for the plasmid origin of replication (ori) and the spike sequences. Therefore, the values for each sequence can be measured and quantified separately.

    Qubit fluorometry, on the other hand, measures the total amount of DNA in the sample, regardless of the specific sequence. Therefore, in qubit fluorometry, no distinction is made between the individual sequences, but the total amount of DNA in the sample is quantified.

    Conclusion

    The available data indicate that in the tested mRNA COVID-19 vaccines, there are billions to hundreds of billions of DNA molecules per dose. Using Qubit fluorometry, all tested vaccines exceed the WHO guidelines for residual DNA of 10 ng/dose by 188- to 509-fold. Interestingly, the residual DNA content measured by the qPCR method in all tested products was below these guidelines. These results demonstrate the importance of clear and consistent interpretation of guidelines for DNA quantity. [Study]

    At this point, it is important to note that the measured data strongly depend on the measurement method used. Thus, the study highlights an existing weakness in regulatory guidelines, which allows for the selective use of different measurement methods to obtain desired results (see Fig. 47).

    In Patent US10077439B2 by Moderna, authored among others by Stéphane Bancel, CEO of Moderna, it is explicitly noted that quantitative Polymerase Chain Reaction (qPCR) underestimates the total amount of existing DNA.

    [00103] … Quantitative PCR is often applied to measure the residual DNA but it only detects the DNA molecules that contain both qPCR primers thus does not measure all other smaller DNA molecules that are partially digested. …

    See also Chapter 4.1.1.c) Limitations of qPCR. For more information, the article „Fluorometry Deep Dive“ by McKernan is recommended.

    „The important thing for regulators to know is that no one technology gives you the answer“, McKernan said in an interview with REBEL News Canada.

    That means employing multiple measurement methods to determine DNA and RNA values would enhance the reliability of the results and identify potential discrepancies between the methods. The use of multiple methods allows for internal validation of the results and can help identify potential sources of error. For instance, the qPCR method could be used to measure DNA and RNA values, and the results could then be compared with the values obtained through the Qubit fluorometry measurement method. By comparing the results from different methods, potential differences or inconsistencies can be identified.

    5.3.2. An unexpected finding: SV-40 promoter/enhancer

    Speicher et al. found SV40-promoter-enhancer-ori-sequences and SV40-polyA-sequences in the Pfizer vaccines. See also Table 2 of the study.

    SV40, which stands for Simian Virus 40, is a virus discovered in 1960 in kidney cells of monkeys. It can infect both monkeys and humans. SV40 is known for its use in biomedical research and as a contaminant in some earlier batches of polio vaccines.

    „It is not the full SV-40 virus as seen in polio vaccines.“ [McKernan]

    SV40 contains certain genetic sections that play an important role in how genes are activated. These sections include the SV40 enhancer and the SV40 promoter.

    The SV40 promoter acts as a starting sequence for a gene. When a gene is expressed (active), it means that the genetic information of that gene is translated into a protein. The SV40 promoter is a particularly strong starting sequence capable of efficiently initiating gene expression. Imagine gene expression as starting a motor in a car. The SV40 promoter is like the ignition key that turns on the engine. When the ignition key is turned, the engine is activated, and the car starts moving.

    The SV40 enhancer is located near the promoter and can increase the activity of the promoter. The SV40 enhancer can then be regarded as a turbo boost that gives the engine extra power. When the turbo boost is activated, the car accelerates faster and reaches a higher speed. Similarly, the SV40 enhancer boosts the activity of the SV40 promoter and increases the expression of the gene, similar to how the turbo boost increases the power of the engine.

    McKernan: „Another concerning discovery was the finding of an SV-40 promoter in the vials… This is something that helps promote the antibiotic resistance that is the backbone of these vectors. … If this DNA is at high levels inside these vaccines then that promoter could integrate into the genome and there’s concern with injecting high amounts of SV-40 promoters because there is a risk it will be promoting the expression of genes inappropriate in the genome.“

    SV40 components and regulatory authorities

    The figure below shows Pfizer’s plasmid map on the left, which was reconstructed using McKernan’s measurement results. On the right is the plasmid map that Pfizer included in the approval documents for the European Medicines Agency (EMA). It can be clearly seen that the SV40 components are missing from the plasmid map on the right.

    Fig. 48: Plasmid map (right) disclosed to the EMA (see Figure S.2.3-1. pST4-1525 Plasmid Map) [Powerpoint recording Massachusetts slides, slide 6]

    Since the guidelines of the World Health Organization (WHO) and the U.S. Food and Drug Administration (FDA) mandate that all open reading frames and promoters, such as the SV40 components, must be disclosed, McKernan’s team confronted the authorities with their measurement results. As a result, the European Medicines Agency (EMA), the FDA, and Health Canada confirmed that indeed SV40 components are used in the plasmid. [Powerpoint recording Massachusetts slides, Slide 17]

    In an email to The Epoch Times (October 2023), Health Canada writes: „Although the full DNA sequence of the Pfizer plasmid was provided at the time of initial filing, the sponsor did not specifically identify the SV40 sequence.“

    Shortly afterwards, the European Medicines Agency (EMA) also informed The Epoch Times in an email: „While the full DNA sequence of the plasmid starting material was provided in the initial marketing authorization application for Comirnaty, the applicant did not specifically highlight the SV40 sequence. … BioNTech did not highlight the inclusion of the enhancer in its vaccine because „it was considered to be a non-functional part of the plasmid.” They have since clarified this information in response to questions raised by EMA.“

    We remember that the EMA recommended conditional approval for the COVID-19 vaccine Comirnaty from BioNTech and Pfizer at the end of 2020. It was only three years later that the authorities found the SV40 sequence in the Comirnaty marketing authorization application.

    A spokesperson for the European Medicines Agency declared that the agency „can confirm that it has not seen any reliable evidence of residual DNA exceeding approved/safe levels” for the Pfizer/BioNTech or Moderna COVID-19 vaccines. Nor is the EMA „aware of scientific evidence showing that the very small amounts of residual DNA that may be present in vaccine batches could integrate into the DNA of vaccinated individuals”.

    The potential risks associated with residual DNA content are discussed in Chapter 7, „Are further investigations necessary?“

    5.3.3. Size profile of residual DNA

    To capture the different sizes or lengths of residual DNA molecules, Speicher DJ et al. sequenced the BNT162b2 vaccine using Oxford Nanopore (ONT) sequencing (Fig. 49).

    Fig. 49: Oxford Nanopore Sequencing [Study, left: Fig.10, right: Fig.11]

    The sequencing revealed a total plasmid length of 7810 bp (base pairs). As shown in the figure (left), a large portion of the measured DNA molecules‘ mass is small. The analysis indicated an average DNA fragment length of 214 bp.

    „One in fifty molecules was more than 1,000 bases long.“ [McKernan, Covid-19 Vaccine Expert Panel Briefing to the Massachusetts Legislature and Public Health Officials, 1:29:30]

    They also found a fragment that was 3.2 kb (kilobase pairs) or 3200 bp (base pairs) long and covered the entire backside of the plasmid (see figure on the right, shown as a blue vector region). In an interview, McKernan explained that this 3,200 base pair fragment contained the gene for resistance to the antibiotics kanamycin and neomycin, including the corresponding SV40 promoter. He continued: „Other fragments of similar length included the sequence for the spike protein.“

    According to the guidelines of the World Health Organization (WHO), it is recommended to limit the size of the residual DNA to less than the size of a functional gene or about ~200 base pairs.

    5.4. Reproduction of the study results

    5.4.1. Dr. Phillip Buckhaults

    McKernan and Speicher’s findings were confirmed by Dr. Phillip Buckhaults, Professor at the University of South Carolina. Dr. Phillip Buckhaults is an experienced molecular biologist and cancer geneticist with extensive experience in next-gen sequencing applications for global gene expression analysis and gene mutation detection. He presented his findings on DNA contamination related to the mRNA COVID-19 vaccines at a South Carolina Senate hearing in September 2023. The original post has been removed from YouTube, but can still be found here and here.

    Dr. Buckhaults and his colleagues identified foreign DNA in batches of Pfizer-BioNTech (Comirnaty) and Moderna (Spikevax). [@P_J_Buckhaults]

    In the hearing, Dr. Buckhaults describes his findings:

    „So this is a picture of the sequencing read that the sequencing run that I did in the lab from a couple of batches of the Pfizer vaccine. And all those little bitty lines here (Fig. 50) are the little tiny pieces of DNA that are in the vaccine. They don’t belong there. They are not part of the sales pitch or the marketing campaign. And there’s a lot of them.“

    Fig. 50: DNA pieces found in the Pfizer vaccine [source]

    „This little graph here (Fig. 51, left) in the middle is the size distribution it Peaks around 100 base pairs 120 bas pairs. The DNA pieces that are in the vaccine are short little pieces 100 120 there’s soma that are about 500 base pairs a few that are even 5.000 but most of them are around 100 base pairs. Why is this important? Because the probability of a DNA piece of DNA integrating into the human genome is unrelated to its size. Your genome risk is just a function how many particles there are. … All these little pieces of DNA that are in the vaccine many many thousands of opportunities to modify a cell of a vaccinated person. The pieces are very small because during the process they chopped them up to try to make them go away but they actually increased the hazard of genome modification in the process.“

    Fig.51: left) Distribution of the DNA pieces in the Pfizer vaccine according to the length of the base pairs; right) Replicated plasmid map based on the sample analysis [source]

    „So we took all these pieces of DNA and we used them to glue together, what the source DNA must have been. This is what we do in the lab all the time and all these little red and green lines here (Fig. 50) these are all independent little pieces of DNA. This must have had 100.000 pieces of DNA in this sequencing run and you can put them all back together and see what they came from is this circle over here (Fig. 51, right).“

    „It’s a plasmid that you can go shopping online to buy from Agilent. And it’s clear that Pfizer took this plasmid and then they clon Spike into it and they used it for in a process called In-vitro- Transcription/Translation where you feed an RNA polymerase with this plasmid and it makes a whole bunch of mRNA copies for you. And then you take this mRNA you mix it with the lipid nanoparticle transection reagent and now you’ve got your mRNA vaccine but they failed to get the DNA out before. They did this. So these little pieces they did make some effort to chop it up so all these little pieces of the plasma got packaged in with the RNA. That’s clear as day what happened just from the forensics of looking at the DNA sequencing.“

    „We can measure the quantity of this stuff pretty easy in the lab. This is we’re good at doing this kind of stuff … We can quantify exactly how much of this stuff is in a vaccine or any other tissue and you know I estimate that there were about two billion copies of the one piece that we’re looking for in every dose. … But if you see 2 billion copies of this there’s about 200 billion of everything else. So what this means is that there’s probably about 200 billion pieces of this plasma DNA in each dose of the vaccine and it’s encapsulated in this lipid nano particle so it’s ready to be delivered inside the cell. This is a bad idea.”

    5.4.2. Dr. Jürgen O. Kirchner and Prof. Dr. Brigitte König

    The German biologist Dr. Jürgen O. Kirchner warned of the problem of DNA contamination of the BioNTech vaccine as early as 2022 in the book „The mRNA Machine“, which he published under the pseudonym David O. Fischer.

    Kirchner is a PhD biologist with extensive professional experience in the pharmaceutical industry. He has worked for various pharmaceutical companies and has been extensively involved in studies aimed at demonstrating the effectiveness of medications. In his role, he has also been responsible for marketing pharmaceuticals and obtaining their approval.

    Dr. Kirchner sent batches of the BioNTech vaccine delivered to Germany for examination to the laboratory of Prof. Dr. Brigitte König in Magdeburg.

    Prof. Dr. König studied biology, chemistry and medicine, habilitated in „Medical Microbiology and Infection Immunology“ and is an external professor at the Faculty of Medicine at Otto von Guericke University in Magdeburg.

    The following passages from Dr. Kirchner’s interview with The Epoch Times provide insights into his findings.

    „The DNA contaminations in the mRNA vaccines are a very serious issue, which initially was not so apparent, although it is stated in the reports of the European Medicines Agency EMA as early as February 2021, that these vaccines are contaminated with DNA. The extent was not known. This was discovered by an American scientist, Kevin McKernan, and his team, and was published in April of this year (2023).“

    „Subsequently, I found a laboratory and requested German batches of this vaccine to be examined to see how things stand with us. And the results were a disaster – highly significant contaminations with DNA.“

    „This vaccine – you asked where it comes from – is contaminated with DNA because it is produced with the help of bacteria. These bacteria provide the DNA template, which is then used to produce and multiply the mRNA. In the clinical trials, this was done without bacteria, which means that the vaccines in the clinical trials were not nearly as contaminated with DNA as the commercial products. This also means that the risk posed by the DNA in the vaccines was not clinically tested at all, because the vaccine in the clinical trials did not have this. So this whole issue is a huge black hole where nobody knows what is behind it. And that needs to be changed very quickly.“

    „Charges of the BioNTech vaccine were tested. Currently, we are using data from five batches, from which we were able to obtain sealed batches. The limit for contamination has been set by the WHO itself at 10 ng (nanograms) per dose. The lowest concentration found in one vaccine was 83 times higher, and the highest was 355 times higher. … We’re not talking about slightly exceeding the limit here; rather, we’re talking about having 3500 instead of 10. This is something one must simply consider.“

    The results of their analyses are summarized in the following table.

    The results were presented to the general public in an MDR report on December 12, 2023. However, the MDR report was removed from the MDR media library shortly afterwards. The report can still be viewed at this link.

    In response to inquiries from The Epoch Times about why the MDR report was deleted, an MDR spokesperson provided the following response: „MDR broadcast a report on coronavirus vaccines on 12.12.2023 at 8.15 p.m. in the program ‚Umschau‘. After careful internal review, it is clear that our journalistic due diligence criteria were not met. The report was depublished on 17.12.2023.“ However, MDR did not say exactly which „journalistic due diligence criteria“ were not met in the report.

    5.5. Brief summary
    • The measured values for DNA and RNA depend on the specific measurement method used for analysis.
    • There is no uniform regulatory standard from authorities prescribing which measurement methods must be used by manufacturers to test the RNA and DNA of a substance.
    • Large quantities of small DNA fragments were found, exceeding the WHO recommended limit of 10 ng/dose.
    • Occasionally, very long DNA molecules were also found, exceeding the WHO recommended length of 200 base pairs.
    • Functional components of the SV40 virus were found, including the SV40 promoter and enhancer.
    • The residual DNA, which may be present during the packaging of mRNA into lipid nanoparticles, could also be packaged into the lipid nanoparticles. These lipid nanoparticles help increase the stability and protection of the encapsulated nucleic acids by shielding them from degradation by enzymes such as nucleases that are normally present in biological systems.

    6. Official reactions and knowledge regarding foreign DNA

    6.1. The European Medicines Agency (EMA)
    6.1.1. What is the EMA and what is its role?
    6.1.2. What did the EMA know about the DNA residues?
    6.2. The Paul Ehrlich Institute (PEI)
    6.2.1. What is the PEI and what is its role?
    6.2.2. Questions to the Paul-Ehrlich-Institut (PEI)
    6.3. Brief summary

    6.1. The European Medicines Agency (EMA)

    6.1.1. What is the EMA and what is its role?

    The European Medicines Agency (EMA) is an agency of the European Union based in Amsterdam, the Netherlands. The EMA was established to facilitate a standardized approval process for medicines across the European Union, ensuring faster access to new medicines for patients. Here are some of the main tasks of the EMA:

    Authorization of medicinal products: The EMA plays a central role in evaluating applications for the approval of new medicines in the European Union. It assesses the quality, safety, and efficacy of medicines before they are made available on the European market.

    Monitoring the safety of medicinal products: The EMA continuously monitors the safety of already authorized medicinal products. This includes the collection of data on side effects and other safety-relevant information. If necessary, measures can be taken to ensure the safety of patients, such as the amendment of package leaflets or the revocation of marketing authorizations.

    Quality control: The EMA assesses the quality of medicines and ensures they meet required standards. This encompasses the manufacturing, testing, and packaging of medicines.

    6.1.2. What did the EMA know about the DNA residues?

    The following is a review of some EMA documents along with corresponding explanations. The redacted areas in the documents were made by the EMA itself.

    An „Assessment Report“ is an evaluation report prepared by the EMA to document the assessment of a medicinal product by the Committee for Medicinal Products for Human Use (CHMP). This report includes a comprehensive analysis of all available data. Additionally, it may also include recommendations and requirements for further monitoring of the medicinal product after approval.

    EMA document from February 2021

    EMA-Document, 19th February 2021

    „The robustness of the DNase digestion step is not considered comprehensively demonstrated although there is routine control of residual DNA impurities at the active substance level. It has been confirmed that studies to enhance the robustness of this step are ongoing and these should be reported (REC7).“

    In the EMA’s Assessment Report from February 2021, it was noted that the robustness of the DNase digestion step had not been fully demonstrated, despite routine control of residual DNA impurities at the active substance level. It was confirmed that studies to improve the robustness of this step are ongoing and that these studies should be reported according to the recommendation (REC7) of the marketing authorization holder (BioNTech).

    EMA document from May 2021

    EMA-Document from May 2021

    „This report covers the following post-authorisation commitment undertaken by the MAH:
    REC7: The MAH should provide the resilts of the studies performed to enhance the robustness of the DNase digestion step in the active substance manufacturing process.“

    In this excerpt of the EMA document, „MAH“ refers to the Marketing Authorization Holder, which is the entity holding the market authorization (BioNTech) for the medicinal product Comirnaty.

    The passage states that the MAH has taken on a post-authorization commitment to provide the results of studies conducted to improve the robustness of the DNase digestion step in the active substance manufacturing process.

    To clarify this:

    • As described in section 3.5.2., DNase is an enzyme that degrades DNA.
    • The manufacturing process of the active substance refers to the process by which the actual active substance of the drug is produced.
    • The DNase digestion step is a specific step in the manufacturing process where DNase is used to digest and remove DNA (see chapter 3.5.2. Purification of synthetic mRNA – Process 2).
    • The robustness of this step refers to how stable and reliable this step is in the manufacturing process, and how well it functions in different situations.

    The EMA requires the MAH to provide the results of studies conducted to ensure that this specific step in the manufacturing process of the active substance is reliable and stable. This is to ensure the quality and safety of the medicinal product, especially with regard to potential impurities from DNA residues.

    EMA-Document from May 2021

    „No detailed report for the studies initiated to enhance the robustness oft he DNase digestions step is provided.“

    „It is expected that a detailed summary of the results from the studies performed to enhance the robustness of the DNase digestion step will be included in Module 3.2S.2.5 of the dossier by the end of second quarter 2021.“

    „PAM not fulfilled“

    This section of the EMA document indicates that the MAH did not provide detailed reports on the studies conducted to improve the robustness of the DNase digestion step.

    „PAM“ stands for „Post-Authorization Measure“, which means that a measure must be taken after a drug has been authorized. In this case, „PAM not fulfilled“ means that the measure that the MAH (BioNTech) had to take with regard to reporting on the studies to improve DNase digestion was not fulfilled.

    The passage states that the MAH is expected to submit a detailed summary of the results from the studies conducted to improve the robustness of the DNase digestion step by the end of the second quarter of 2021 in module 3.2.S.2.5 of the dossier.

    EMA document from August 2021

    The discussion on „Improving the robustness of the DNase digestion step“ continues.

    EMA-Document from August 2021

    Recommendation #7 to provide the results of the studies performed to enhance the robustness of the DNase digestion step has only been partly fulfilled. Further actions are required to fulfil Recommendation #7 including submission of a detailed summary of the results from the studies and inclusion of these data in Module 3.2.5.2.5 of the dossier by the end of second quarter 2021.

    Response to Post Authorisation Measure:
    Following the increase in residual DNA observed during the ACMF PPQcampaign, small scale experiments were initiated to enhance the robustness of the DNase I digestion step. Studies were conducted to better understand the impact of reaction components, process parameters, and operation parameters on levels of residual DNA template. The small-scale studies are inconclusive and no adjustments to the DNase step are recommended, therefore the data from these studies are not provided.

    The text states that recommendation no. 7 (REC7) regarding the submission of study results to improve the robustness of the DNase digestion step has only been partially fulfilled. It states that further action is required. BioNTech’s response to this recommendation includes small-scale trials to improve the robustness of the DNase I digestion step. These trials should help to better understand the effects of various factors on the amount of residual DNA. However, it is concluded that the studies conducted are inconclusive and therefore no adjustments to the DNase step are recommended. As a result, the data from these studies are not provided.

    EMA-Document from August 2021

    In the EMA report on page 3, the „GMP Inspection check“ was rated as „No.“ This assessment indicates that during an inspection of Good Manufacturing Practice (GMP), deficiencies or inadequacies regarding compliance with certain requirements or standards were identified. At that time, the product Cormirnaty was NOT compliant with GMP standards.

    EMA document from March 2022

    In the EMA document from March 2022, we find the following regarding the status „REC 7“:

    EMA-Document from March 2022

    „REC 7: „The MAH should provide the results of the studies performed to enhance the robustness of the DNase digestion step” is partially fulfilled.“

    EMA-Document from March 2022

    „REC/027 ongoing, CHMP conclusion 20/05/2021: Further actions are required to fulifil Recommendation 7 including submission of a detailed summary of the results from the studies and inclusion of these data in Module 3.2.S.2.5 of the dossier by the end of second quarter 2021.“

    „VAR IB-55: No results are provided, since the Applicant considers the small-scale study to be inconclusive and no adjustment to the DNase digestion step is recommended. This is not found acceptable, and data should be provided to support that no change is needed. In addition, the correlation of DNase I activity and levels of Residual DNA template as measured by the in-house methods should be sufficiently evaluated.“

    „VAR IB-106-G: In order to complete REC #7, data from the two additional sites Mainz/Rentschler and Marburg should be provided. Section 3.2.S.2.5 of the dossier should be updated with data on residual DNA levels from all three sites. In addition, section 3.2.S.2.5 should be updated with information on the enhanced process control. If possible, the minor adjustments should be reflected in the related acceptance criteria.“

    This section of the EMA document refers to the review of the fulfilment of certain obligations (Recommendation, REC) of the Marketing Authorization Holder (MAH) in connection with the manufacture of the medicinal product „tozinameran“.

    „Tozinameran“ is the active ingredient name for the COVID-19 vaccine from Pfizer-BioNTech. The vaccine is marketed under the brand name „Comirnaty“. „Tozinameran“ is the international non-proprietary name (INN) for the active ingredient established by the World Health Organization (WHO). The term is used to identify the specific active ingredient of the vaccine independently of brand names.

    Partially fulfilled: It is noted that the commitment to present the results of the studies performed to improve the robustness of the DNase digestion step has been partially fulfilled. However, it is noted that further actions are required to fully comply with Recommendation 7 (REC 7).

    Special considerations regarding each variable (VAR):

    • VAR IB-55: No results are provided as the applicant considers the study inconclusive and does not recommend adjusting the DNase digestion step. However, this is not accepted, and data are requested to demonstrate that no changes are necessary. Furthermore, the correlation between DNase I activity and residual DNA as measured by the company’s own methods should be adequately evaluated.
    • VAR IB-106-G: To complete recommendation 7 (REC7), data from the two additional sites Mainz/Rentschler and Marburg should be provided. Section 3.2.S.2.5 of the dossier should be updated with data on residual DNA content from all three sites. Additionally, Section 3.2.S.2.5 should be updated with information on enhanced process control. If possible, minor adjustments should be reflected in the corresponding acceptance criteria.

    Overall, the official EMA document shows that in March 2022 – over a year after the mass use of the BioNTech vaccine – this point has not been clearly clarified.

    Despite the „Partly Fulfilled“ finding, the EMA considers the variations proposed by the MAH (BioNTech) to be „is/are approvable“:

    EMA-Document from March 2022

    To better understand the dispute between EMA and Pfizer regarding the robustness of DNase I, the article from ThermoFisher SCIENTIFIC provides further insights. It points out that it can be challenging to completely remove all DNA contaminations.

    6.2. The Paul Ehrlich Institute (PEI)

    6.2.1. What is the PEI and what is its role?

    The Paul Ehrlich Institute (PEI) is a federal authority in Germany, operating under the Federal Ministry of Health. It is named after the German medical researcher Paul Ehrlich and is located in Langen, Hessen. The PEI plays a central role in drug safety and vaccine approval in Germany. Here are some of the main tasks of the PEI:

    Approval: The PEI is responsible for the approval of medicines and vaccines. It checks the quality, efficacy and safety of new medicines and vaccines before they are approved for the market.

    Monitoring: The PEI continuously monitors the safety and quality of medicinal products and vaccines that are already on the market. It ensures that the products are manufactured in accordance with the applicable standards and meet the requirements for safety, purity and efficacy. It collects and evaluates reports on side effects and adverse events in order to identify potential risks at an early stage and take appropriate measures to protect public health.

    Research and development: The PEI also conducts research in the field of drug safety and vaccine development. It works closely with other national and international authorities as well as with academic institutions and industry to gain new insights and promote innovative approaches to improve health.

    6.2.2. Questions to the Paul-Ehrlich-Institut (PEI)

    27.09.2023 – Letter from ÄFI to PEI

    ÄFI = Ärztinnen und Ärzte für individuelle Impfentscheidung e.V
    (Physicians for Individual Vaccination Decisions e.V)

    Due to the study by Kevin McKernan and considering the responsibility of the PEI for the monitoring and quality assurance of vaccines in Germany, „Ärztinnen und Ärzte für individuelle Impfentscheidung e.V“ (Physicians for Individual Vaccination Decisions) formulate important questions regarding the topic of „DNA contamination in the mRNA vaccines from Pfizer/BioNTech and Moderna“ in a letter to the PEI on September 27, 2023.

    Question 1: Are the safety assessments of vaccines conducted or initiated by the PEI designed to detect, classify, and quantify such foreign substances (DNA-containing fragments/plasmids)?

    Question 2: If yes: What were the findings of the PEI? Has the PEI obtained knowledge indicating significant DNA contamination in the mentioned mRNA vaccines?

    Question 3: If no: After the above-mentioned results became known in spring 2023, did the PEI take precautions in the safety testing protocol to rule out contamination for the batches of both vaccine manufacturers used in Germany?

    19.10.2023 – PEI response to ÄFI

    In the response from the PEI, the following is stated:

    „The Paul-Ehrlich-Institut is an official control laboratory in the European OMCL network and has tested most batches of the COVID-19 vaccine product Comirnaty (in all indications and concentrations) approved by the EU Commission in accordance with OMCL guidelines and approval specifications and, where applicable, granted state batch release for Germany.“

    „For parameters such as the residual DNA content in the vaccine, which are only tested experimentally by the manufacturer, the OMCL checks the manufacturer’s test results to see whether the limits specified in the authorization have been met in each batch.“

    The batch release tests to be carried out by the OMCL for the COVID-19 vaccines are summarized here in Table 2.

    „The batches tested and released by the Paul Ehrlich Institute did not show any objections. Therefore, no further safety measures were necessary. Batches that do not meet all criteria are not approved for the German market.“

    In summary, the response from the Paul Ehrlich Institute confirms that there is residual DNA content, and the experimental verification of vaccine batches is carried out exclusively by the manufacturer.

    The discussion gains momentum, leading to a large number of further inquiries from healthcare professionals on the topic. In response, the Paul Ehrlich Institute (PEI) publishes a letter with information for healthcare professionals on December 22, 2023.

    22.12.2023 – Letter from the PEI with information for healthcare professionals

    From this letter, the key statements of the PEI are analyzed. To improve clarity, the statements are divided into separate sections.

    Section I
    „Many of the data and investigations circulating in the public regarding alleged contaminations of COVID-19 mRNA vaccines are based on methodological deficiencies. Additionally, there is the issue of potentially improper storage of the examined vaccine doses.“

    The PEI thereby implies incompetence on the part of the scientists who dared to examine the vaccine for residual DNA content. These scientists include, among others:

    Dr. Kevin McKernan led the research and development team at the Human Genome Project. He founded Medicinal Genomics and co-founded Agencourt Bioscience Corporation. He is a renowned genomicist and has developed groundbreaking sequencing technologies.

    Dr. David J. Speicher is an Assistant Professor of Biology and Health Sciences at Redeemer University in Hamilton, Ontario. He holds a Ph.D. in virology and has extensive experience in detecting infectious diseases using molecular biology techniques. His research focuses on detecting infectious diseases using saliva biomarkers, and he has been a director of a COVID-19 testing facility.

    Dr. Phillip Buckhaults, a professor at the University of South Carolina, is an experienced molecular biologist and cancer geneticist with extensive expertise in utilizing next-generation sequencing technologies for global gene expression analysis and detecting gene mutations. He is also a proponent of vaccination.

    Dr. Jessica Rose is a Canadian researcher with a bachelor’s degree in applied mathematics and a master’s degree in immunology from Memorial University of Newfoundland. She also holds a PhD in computational biology from Bar-Ilan University and two post-doctoral degrees: one in molecular biology from the Hebrew University of Jerusalem and one in biochemistry from the Technion Institute of Technology.

    Prof. Dr. König studied biology, chemistry and medicine, habilitated in „Medical Microbiology and Infection Immunology” and is an external professor at the Faculty of Medicine at Otto von Guericke University in Magdeburg.

    … and so on. The list is extensive.

    Section II
    „Experimental determinations, e.g. of residual DNA by third parties in vaccine doses available on the market, must fulfill the following criteria in order to provide scientifically valid results:“
    „(i) They may not be carried out on samples taken from expired (expiration date exceeded) vaccine vials or from opened or improperly stored vaccine vials.“

    a) Access to vaccine doses

    It should be noted that vaccines are usually distributed by public health authorities to medical institutions, general practitioners, specialists, pharmacies and vaccination centers. This means that these institutions have a kind of monopoly on access to and distribution of these products.

    In this context, the PEI’s appeal to „doctors and pharmacists” dated December 5, 2023 listed below is noteworthy.

    „Do not send any vaccines that could still be administered to the address provided in the letter. By doing so, you would deprive valuable vaccines of their intended use.”

    At the same time, millions of valuable vaccine doses are being discarded. Just five days earlier, on December 1, 2023, ZEIT ONLINE headlined, „Now the panic buying is taking its revenge”. The article states:

    „Just this year, 95 million doses of COVID vaccine expired in central warehouses and had to be destroyed… This amounts to about a third of the 458 million doses delivered to Germany so far… And the number of expired vaccine doses is expected to continue rising, as the Health Ministry reports that another 56 million vaccine doses are currently stored in federal central warehouses.”

    This raises questions. Why is the provision of individual doses for testing prevented when there is an obvious oversupply of vaccine doses? What concerns does the Paul Ehrlich Institute (PEI) have in this regard? These additional tests could potentially refute the results of the independent studies and laboratories. Why doesn’t the PEI test itself? To what extent does this reaction by the PEI help to build trust?

    b) Klaus Cichutek on „Regulatory requirements for vaccine quality”

    In a paper entitled „Accelerated development of COVID-19 vaccines: Technology Platforms, Benefits and Associated Risks”, Klaus Cichutek, who was President of the Paul Ehrlich Institute from 2009 until the end of 2023, along with others, authored and endorsed the following statements:

    Vaccine Quality-Related Regulatory Requirements
    As for common vaccines, the establishment of a fully quality-assured manufacturing process is of fundamental importance for COVID-19 vaccine development. This requires detailed process-specific developments and specifications as well as the implementation of suitable control measures including in-process controls. The entire production of vaccines must meet the requirements of „Good Manufacturing Practice” (GMP)  … A certain degree of flexibility has been applied for COVID-19 vaccines as regards the manufacturing range of these process performance qualification lots or by taking into account the respective data for similar products of the same platform technology.…
    These tests also include controls and the minimization of any possible contamination.  …
    Approved vaccines are also subject to batch testing by the Paul-Ehrlich-Institut or another official control laboratory from the European OMCL network. This ensures that release tests of particular importance for quality assurance, such as potency, must undergo an additional experimental check by a qualified public test laboratory before the official batch release for the market.

    Requirements for Clinical Trials
    Nevertheless, after approval, further studies on the effectiveness („effectiveness in everyday use”) and safety of the vaccines will also be carried out by the federal authorities in order to ensure that the vaccines retain their positive benefit–risk profile after approval in their intended usage in broad sections of the population.

    The re-examination of the benefit-risk assessment of the medicinal product under investigation includes, for example:

    • individual reports of expected serious adverse side effects with an unexpected outcome,
    • a clinically relevant increase in the frequency of expected serious adverse side effects,
    • Events connected to the conduct of the study or the development of the investigated medicinal product that could potentially affect the safety of the persons concerned.

    How do these statements contradict the aforementioned request in the PEI letter dated December 05, 2023?

    c) Could the residual DNA content increase in an expired and sealed mRNA vaccine vial?

    The half-life of DNA is 521 years, meaning that half of the DNA molecules in a sample decay after this time. Even as DNA breaks down and fragments into smaller pieces, the total amount of DNA in a sample remains unchanged. Qubit fluorometry and qPCR measure DNA concentration per unit volume, but the total amount of DNA in the sample remains the same even as it breaks into smaller fragments. Therefore, the residual DNA content in an mRNA vaccine vial does not increase even after a short period of 2 years, even under suboptimal storage conditions.

    Section III
    „(ii) The methodology used to determine the amount of residual DNA must be proven to be appropriate and reproducible – in particular, test interferences due to the presence of lipid nanoparticles in the vaccine vials should have been excluded (which cannot be guaranteed when testing on the final vaccine vial).”

    The study by Speicher et al. states the following: „Vaccine in these three vials was diluted 10-fold serially to assess LNP inhibition in qPCR (Figure 5). We observed the expected ~3.3 Cq response after the 1:10 dilution (1:10, 1:100, 1:1000) suggesting that there is some LNP inhibition that could impact the quantitation of DNA at these dilutions (Figure 6). Therefore, the data from the 1:10 dilutions were used for further analysis. This dilution, as well as the fact that some of the doses were designed to be diluted before use, was accounted for in our calculations.“

    This indicates that measures were taken to account for potential test interferences due to the presence of lipid nanoparticles in the vaccine vials.

    Section IV
    „(iii) The method used must have been validated to provide reliable and verifiable results.”

    „In the frequently cited preprint publications by McKernan et al. (April 2023) and Speicher et al. (October 2023), there is insufficient information provided regarding whether the mentioned conditions were met, as well as details on the traceability of the chosen methodology. Method validation is essential to ensure that the methodology used yields reliable and reproducible results at all times and regardless of the operator, and that the method is suitable for its intended purpose. The aforementioned conditions for obtaining scientifically sound measurement results in residual DNA determination are adhered to by the manufacturers.”

    Dr. Kevin McKernan discusses this topic in an interview with Prof. Dr. Paul Cullen and Prof. Dr. Henrieke Stahl:

    „Our methods are in the public domain and have been reproduced by independent laboratories. However, the PEI does not carry out its own tests for DNA on the vaccine, but leaves this testing to the manufacturers. The manufacturers, in turn, have not, as far as we know, provided any detailed insight into their testing procedures; only an EMA document disclosed by a cyberattack provides some insight into the testing methods. If the manufacturers or the PEI were to publish their own methods and self-collected data transparently, we would be willing to make comparisons and possibly learn from each other.”

    „Up to this point, our methods are not only the only publicly available measurement methods, but also the best validated. This is because they were immediately subjected to various „stress tests”, such as a gradient PCR, determination of the lower detection limits, an analysis of the PCR primer concentrations and a PCR inhibition analysis. In addition, the amplified DNA fragments were also sequenced by a third party using a gold standard, the so-called Sanger method. Standard sequencing using the Illumina and Oxford Nanopore method was also carried out in several independent laboratories.“

    „As can be seen from the above-mentioned „Rolling Review” document, the EMA has accepted qPCR for DNA measurement and fluorometry and spectrometry in the ultraviolet light spectrum for RNA measurement. This procedure contradicts the Moderna patent US10.077.439, which was filed by company boss Stéphane Bancel. Here it is shown that qPCR underestimates the amount of DNA because it cannot detect fragments with a length of less than about 100 base pairs.“

    6.3. Brief summary

    • The European Medicines Agency (EMA) has been aware of the problem of „manufacturing-related residual DNA impurities” since the beginning. As early as February 2021, it specifically requested additional data from the manufacturer to clarify the robustness (i.e. reliability) of the DNase digestion step (see REC7), as this is used to remove the DNA.
    • In March 2022, the EMA noted (VAR IB-55) that the applicant did not submit results as it questioned the conclusiveness of the small scale study and did not recommend an adjustment to the DNase digestion step. This position was not accepted by the EMA and the applicant was requested to provide data demonstrating that no change was required. Furthermore, it was emphasized that the correlation between the DNase digestion step and the residual DNA content should be sufficiently evaluated. Despite these concerns, formal approval was granted by the EMA.
    • The Paul-Ehrlich-Institut (PEI) confirms the existence of residual DNA in the vaccine and the fact that the experimental testing of the vaccine batches is carried out exclusively by the manufacturer.
    • The PEI questions the measurement results reported by independent laboratories regarding the residual DNA in the vaccine. The authority is questioning the measurement methods used and the quality of the vaccine samples used.
    • The Paul-Ehrlich-Institut (PEI) has sent a „letter to doctors and pharmacists” asking them not to send vaccine doses to independent laboratories for further testing. This appeal comes at a time when there is a surplus of vaccine doses.
    • Although the experimental data of McKernan et al. and Speicher et al. are based on established procedures that meet current scientific standards and are also used by Pfizer/BioNTech and Moderna, the PEI makes no effort to clarify the dispute through further independent experimental investigations involving all parties.

    7. Are further investigations necessary?

    The statements in Chapter 6 give the impression that neither the manufacturers of mRNA vaccines nor the responsible regulatory authorities are interested in further professional engagement with the findings from Chapter 5.

    The main arguments of the regulatory authorities were summarized by McKernan:

    Fig. 52: Regulatory Response [Powerpoint-recording Massachusetts-Slides, Slide 14]

    It is important to investigate whether the authorities‘ conclusions that the DNA is too short, the amount of DNA is too small or the DNA is not functional are clear and undisputed. It is important to critically scrutinize these conclusions and to examine the arguments in more detail to determine whether they are indeed correct or whether further investigations are required.

    7.1. Official statements regarding residual DNA
    7.2. Further studies on the topic
    7.3. SV40 Sequences
    7.4. SV40-Promoter and the p53-Tumor-Suppressor Gene
    7.5. Residual DNA and the lipid nanoparticles
    7.6. Possible integration into the DNA
    7.7. Calls for further investigations
    7.8. Brief summary

    7.1. Official statements regarding residual DNA

    Two of Moderna’s patents should be highlighted here.

    Patent US 10077439 B2 „Removal of DNA fragments in mRNA production process”

    This patent from Moderna (2014), authored by Stéphane Bancel (CEO of Moderna) and others, explicitly states that residual DNA in drug products could trigger activation of the innate immune response and potentially cause oncogenic effects in certain patient populations.

    [0003] The DNA template used in the mRNA manufacturing process must be removed to ensure the efficacy of therapeutics and safety, because residual DNA in drug products may induce activation of the innate response and has the potential to be oncogenic in patient populations. Regulatory guidelines may also require the quantification, control, and removal of the DNA template in RNA products. Currently available or reported methods do not address this deficiency.

    Patent US 10898574 B2 „Delivery and formulation of engineered nucleic acids“

    Another patent from Moderna (2021) clearly states the following:
    „There are multiple problems with prior methodologies of delivering pharmaceutical compositions in order to achieve effective protein expression both for therapeutics and bioprocessing applications. For example, introduced DNA can integrate into host cell genomic DNA at some frequency, resulting in alterations and/or damage to the host cell genomic DNA. Alternatively, the heterologous deoxyribonucleic acid (DNA) introduced into a cell can be inherited by daughter cells (whether or not the heterologous DNA has integrated into the chromosome) or by offspring.”

    The „FDA Guidance on Prophylactic DNA Vaccines: Analysis and Recommendations“ from 2009 states:

    „DNA is considered a contaminant of „conventional” (non-DNA) vaccines. Manufacturers typically minimize or remove extraneous DNA during the production process to minimize human exposure to potentially injurious material. Not surprisingly, concerns that plasmid DNA might integrate into the host genome, increasing the likelihood of malignant transformation, genomic instability, or cell growth dysregulation were raised when DNA vaccines were first proposed for clinical use.”

    7.2. Further studies on the topic

    7.2.1. Issues associated with residual cell-substrate DNA in viral vaccines

    This study, entitled „Issues associated with residual cell-substrate DNA in viral vaccines”, points out that the presence of some residual cellular DNA derived from the production cell substrate in viral vaccines is unavoidable. Whether this DNA poses a safety risk is unknown. DNA has two biological activities that need to be considered. Firstly, DNA can be oncogenic; secondly, DNA can be infectious.

    7.2.2. High spontaneous integration rates of end-modified linear DNAs upon mammalian cell transfection

    In this study entitled „High spontaneous integration rates of end-modified linear DNAs upon mammalian cell transfection”, the frequency of integration of genetic material into the genome was investigated after cells were treated with different forms of DNA. It was found that about 10 to 20% of the cells were stably transfected after treatment with different forms of linear DNA. In other words, a considerable percentage of the originally treated cells took up the genetic material. Integration of linear DNAs occurred with similar frequency despite altered DNA ends. These results suggest that the cells have mechanisms to eliminate non-natural DNA ends and subsequently rescue the DNA by integration.
    The study suggests that non-integrating gene therapy methods may need to be further developed before they can be used more widely.

    7.2.3. Double-stranded DNA induces a prothrombotic phenotype in the vascular endothelium

    This study, entitled „Double-stranded DNA induces a prothrombotic phenotype in the vascular endothelium”, investigates the effects of double-stranded DNA (dsDNA) on the inner wall of blood vessels, also known as the vascular endothelium. The researchers treated human endothelial cells in the laboratory with synthetic dsDNA. They found that this led to an increased production of molecules that activate the blood coagulation system. This in turn led to accelerated blood clotting in vitro. An injection of dsDNA into mice (in vivo) also accelerated the formation of blood clots in the blood vessels, which led to a shortened time to complete vascular occlusion with cessation of blood flow. This study shows that double-stranded DNA (dsDNA), both of viral origin and endogenous (naturally present in the body) origin, induces direct prothrombotic effects in the vascular endothelium.

    7.3. SV40 Sequences

    The SV40 components play a significant role in gene therapy. The promoter and the enhancer are two key elements of SV40 DNA used in gene therapy to enhance the expression of foreign genes in target cells.

    The promoter is a specific DNA sequence that initiates the transcription of a neighboring gene. In SV40, the promoter comprises both the origin of replication and the early and late promoter regions. This structure enables the promoter to efficiently regulate the expression of foreign genes.

    The enhancer is a regulatory DNA sequence that can amplify the activity of a promoter, regardless of orientation or distance relative to the promoter. The SV40 enhancer is known for its strong enhancer activity and is often used in gene therapy vectors to increase the expression of introduced genes.

    A key aspect of SV40 components in gene therapy is their ability to support import into the nucleus. The SV40 enhancer can use specific signaling pathways to pass through the nuclear pores and efficiently enter the nucleus. In this context, the following studies are worth mentioning:

    As early as 1997, a study found that specific SV40 sequences are important for the transport of molecules into the cell nucleus. In a later study in 1999, it was discovered that the SV40 enhancer successfully transports the plasmid into the nuclei of various cell types. These research results show how certain SV40 sequences can control transport into the cell nucleus.

    1997: „Most importantly, nuclear import was sequence specific: a region of SV40 DNA containing the origin of replication and the early and late promoters supported import, whereas bacterial sequences alone and other SV40-derived sequences did not.“

    1999: „In contrast, a similar plasmid carrying the SV40 enhancer is transported into the nuclei of all cell types tested.“

    7.4. SV40-Promoter and the p53-Tumor-Suppressor Gene

    Kevin McKernan mentioned in a presentation [Massachusetts slides, slide 23] a study on the interaction between the SV40 promoter and p53.

    p53 is a key protein in tumor suppression, often referred to as the „guardian of the genome”. It regulates the cell cycle, DNA repair, apoptosis (programmed cell death), and senescence (cell aging). Mutations in the p53 gene are frequently found in many types of cancer and lead to loss of function and disrupted regulation of cell growth and division.

    A study found that p53 interacts with a specific region of the SV40 viral genome known as the „early promoter”. The statement in the study reads: „The p53 protein binds to the SV40 early promoter.”

    Hypothetically, this could have various effects:

    p53 loss of function: If the SV40 early promoter binds to p53 and impairs its normal function, this could lead to a loss of function of p53. p53 is an important tumor suppressor that normally protects the cell from uncontrolled growth. A loss of function of p53 could therefore lead to an increased risk of cancer or other undesirable cellular changes.

    Disruption of the p53-mediated signaling cascade: p53 regulates the expression of many genes involved in cell cycle regulation, apoptosis (programmed cell death) and DNA repair. If the SV40 early promoter binds to p53 and interferes with its normal transcriptional activity, this could lead to disruption of these important cellular processes, potentially resulting in genetic instability or other cellular problems.

    Interference with other p53 interactions: p53 interacts with many other proteins and regulatory elements in the nucleus to carry out its functions. If SV40 DNA sequences enter the nucleus and interact with p53, they could interfere with other important p53 interactions, leading to far-reaching effects on cellular physiology.

    These are hypothetical scenarios and therefore further experimental studies would be required to understand the actual effects of SV40-p53 interaction.

    McKernan also refers to this in his presentation [Massachusetts slides, slide 23]. He said that the SV40-p53 interaction needs to be investigated for genotoxicity and that there are currently no studies on genotoxicity. It needs to be analyzed and evaluated whether there are integration risks or oncogenic risks.

    7.5. Residual DNA and the lipid nanoparticles

    In the study, Speicher et al. found that the plasmid DNA is probably packaged in lipid nanoparticles. The function of lipid nanoparticles is to protect their contents from degradation by enzymes in the body. The lipid nanoparticles would provide protection for the enclosed DNA and allow it to cross the cell membrane and enter the cells. Once the DNA has entered the cell, the SV40 enhancer, if part of the DNA sequence, could help to transport the DNA sequence into the cell nucleus. This would increase the risk of integration of the plasmid DNA into the genome.

    Dr. Phillip Buckhaults describes this with the following analogy:

    20 Greek soldiers wandering around outside the walls of Troy are not a big deal. 20 Greek soldiers packed inside a large wooden horse are a different matter.

    The conclusion drawn by Speicher et al. in their study is as follows:

    „The FDA and WHO guidelines did not consider packaging of DNA in lipid nanoparticles, likely resulting in longer DNA persistence as well as increased transfection efficiency (successfull transport of genetic material into a target cell). Furthermore, the guidelines did not consider cumulative dosing with LNP-based modRNA.”

    „Our findings extend existing concerns about vaccine safety and call into question the relevance of guidelines conceived before the introduction of efficient transfection using LNPs (Lipid nanoparticles). With several obvious limitations, we urge that our work is replicated under forensic conditions and that guidelines be revised to account for highly efficient DNA transfection and cumulative dosing.”

    7.6. Possible integration into the DNA

    7.6.1. A further study

    The following study first examined the „Presence of viral spike protein and vaccinal spike protein in the blood serum of patients with long-COVID syndrome”. Of the 81 long-COVID patients analyzed, fragments of the vaccine spike protein were found in 2 patients, two months after vaccination. The authors of the study asked themselves whether a permanent production of spike proteins could be based on DNA changes. To clarify this question, they conducted a supplementary study.

    In the supplementary study, blood samples from patients with long-COVID syndrome were tested for the „presence of spike protein sequences of the BNT162b2 vaccine in the DNA”. To do this, they used specific DNA tests to detect the genetic code of the COVID vaccine in the cell genomes of the study participants. The results indicated the presence of spike protein sequences similar to those of the vaccine.

    In the discussion, attention was drawn to the possibility that the results could indicate potential integration of the vaccine spike protein into the patients‘ DNA. Connections were also made to other studies showing similar results. However, the study also acknowledges its own limitations, such as the need for further investigations to confirm vaccine integration and to rule out potential sources of error. Overall, the authors recommend further studies with larger samples and control groups to assess the specificity and prevalence of vaccine integration in long-COVID patients.

    7.6.2. Smaller DNA fragments

    To ensure patient safety with regard to DNA contamination of host cells, the Food and Drug Administration (FDA) has published industry guidelines for the manufacturing of cell and gene therapies:

    „Since some cell substrates also harbor tumorigenic genetic sequences or retroviral sequences that may be capable of transmitting infection, we recommend that you take steps to minimize the biological activity of any residual DNA associated with your viral preparation. This can be accomplished by reducing the size of the DNA to below the size of a functional gene and by decreasing the amount of residual DNA. We recommend that you limit the amount of residual DNA for continuous non-tumorigenic cells to less than 10 ng/dose and the DNA size to below approximately 200 base pairs.

    If you are using cells that are tumor-derived or have tumorigenic phenotypes or other characteristics that may give rise to special concerns, the limitation of specific residual DNA quantities may be needed to assure product safety…”

    Although FDA guidelines prescribe the limitation of residual DNA in vaccines, this does not necessarily mean that DNA fragments smaller than 200 base pairs (bp) have no impact or play no role.

    Even small DNA fragments can theoretically be incorporated into the genome if they enter the cells and are recognized by the cellular mechanisms. Whether these fragments can play a functional role in the genome depends on various factors, including their sequence, their position in the genome and the availability of repair mechanisms. Therefore, even very small DNA fragments, including those under 200 base pairs, could be integrated into the genome and have biological effects.

    Kevin McKernan writes in his substack:

    Some guidelines focus exclusively on DNA fragments larger than 200 base pairs. However, the assumption that fragments below 200 base pairs are not relevant is based on flawed logic. This assumption is based on the assumption that DNA in this size range is not able to encode an open reading frame (ORF), i.e. a specific section of DNA or RNA that contains information for translation into a protein. Should this nevertheless be possible, it is assumed that the resulting peptide would be so short (66 amino acids) that it is of no significance, or that the short DNA is rapidly degraded.

    „A few reasons this argument is flawed.
    1) The regulations didn’t anticipate this DNA being inside nuclease resistant LNPs, therefore short length doesn’t imply rapid degradation.
    2) Even small DNA fragments can be functional. The 72bp SV40 Enhancer is one such element that is known to recruit transcription factors and mobilize the DNA to the nucleus. David Deans work covers this.
    3) Even small fragments, if integrated can knock a human gene out of frame and cause problems.”

    Kevin McKernan emphasized in a presentation that the amount of DNA in nanograms is not the only decisive factor, but also the molarity, i.e. the number of DNA molecules in a certain amount of solution (dose). „A 200-base fragment is like a shotgun pellet that enters your genome and has a much higher propensity to integrate and damage your genome.”

    7.6.3. Larger DNA fragments

    The presence of larger DNA fragments is another issue that should be investigated. McKernan explains this situation in an interview:

    „Sutton et.al. have shown that hybrids, i.e. pairs of DNA and RNA, can block the enzyme DNase, which is responsible for the degradation of DNA. Such hybrids could also be present in mRNA vaccines. The N1-methyl-pseudouridine in the modified RNA of the vaccine could cause it to interact with the DNA and bind to it. Sequencing of the plasmid DNA was less effective in the region of the spike gene, suggesting that DNA:RNA hybrids may interfere with the sequencing reaction. It is likely that such hybrids block enzymatic reactions, as DNase normally targets double-stranded DNA (i.e. DNA:DNA hybrids). I have described this problem in detail in my substack.”

    7.6.4.  Dr. Phillip Buckhaults

    In his hearing at the Senate of South Carolina in September 2023, Buckhaults stated:

    „We do this in the lab all the time, we take pieces of DNA, we mix them up with a lipid complex like Pfizer vaccine is in. We pour it onto cells and a lot of it gets into the cells and a lot of it gets into the DNA of those cells and it becomes a permanent fixture of the cells. It’s not just a temporary thing, it is in that cell and all of its progyny from now and forever more. So that’s why I’m kind of alarmed about this DNA being in the vaccine, it’s different from RNA because it can be permanent. This is a real Hazard for genome modification of Long Live semantic cells like stem cells and it could cause theoretically this is all a theoretical concern but it’s pretty reasonable based on molecular biology that it could case a sustained autoimmune tact toward that tissue. It’s also a very real theoretical risk of future cancer in some people depending on where in the genome this foreign piece of DNA lands, it can interrupt a tumor suppressor or activate an endogen.”

    „DNA is a longlived information storage device. What you were born with you’re going to die with and pass on to your kids DNA lasts for hundreds of thousands of years. And it can last for Generations if you and get pass it on to your kids right so alterations to the DNA they stick around RNA by its nature is temporary it doesn’t last and that feature of RNA was part of the sales pitch for the vaccine.” …

    „The pseudo Uridin was supposed to make the RNA last a little bit longer but still it’s a transient phenomenon we’re talking hours to days. And then proteins once proteins are made they also don’t last forever they last for hours to days. But something that makes its way into DNA has the potential to last for a very long time maybe a lifetime.”

    „In my view somebody should go about sequencing DNA samples from stem cells of people who are vaccinated and find out if this theoretical risk has happened or not.“

    7.6.5. Dr. Jürgen O. Kirchner

    When asked by The Epoch Times „In your opinion, what is the risk of being injected with foreign DNA?”, Kirchner replies:

    „That’s a very important question. First of all, what does DNA do? When the DNA is introduced into the cells, it can migrate into the cell nucleus and integrate itself into the human DNA, where it can either switch off genes, switch on genes – including switching on cancer genes. And if these are pieces of DNA that are too large to enter the cell nucleus – there are also so-called bacterial plasmids that were also found in the vaccines – then this plasmid can already show activity outside the cell nucleus, i.e. it is read. And the fatal thing is that the plasmid found in the vaccines contains the spike gene and a gene for antibiotic resistance. … This needs to be scientifically investigated.”

    7.6.6. Preliminary indications of DNA integration

    At the International Crisis Summit-5 (ICS-5) on February 23, 2024 in Washington DC, Kevin McKernan presented the latest research on possible DNA integration. The whole presentation can be seen under this link.

    From minute 9:50 onwards, the results of the tests on OVCAR3 and MCF7 cells treated with the vaccine are presented.

    OVCAR3 cells: This cell line is derived from ovarian carcinoma, which is a malignant tumor of the ovaries. MCF7 cells: This cell line is derived from a breast cancer (mammary tumor). Both cell lines are established models for studying cancer biology, testing drugs and developing therapies.

    Kevin McKernan reported that DNA was detected in the cell cultures treated in this manner. „We can see the DNA there. It’s a very high copy number… It’s about a 3000-fold coverage of the entire vaccine genome.”

    In simple terms, this means that the genetic information of the vaccine has entered the cells. The researchers were able to visualize the DNA inside the cells and found that it was present in very high numbers.

    The statement „approximately 3000-fold coverage of the entire vaccine genome” refers to how often the DNA sequences of the vaccine were found in the cells. A „3000-fold coverage” means that the DNA sequences were present on average about 3000 times in the cells examined. This indicates that a large amount of the vaccine’s genetic information has entered the cells.

    Kevin McKernan continued: „We have also found two genome integrations. These have not yet been replicated, like all of our qPCR data, so it’s still very early days, but we have fusions of DNA between the spike sequence and chromosome 12 and between the spike sequence and chromosome 9. This needs to be confirmed with long-read sequencers, which will allow us to cover the entire integration event…. But we shouldn’t see anything like this… So we need to do a little more validation, but it’s still a little worrying.”

    More information on this here.

    7.7. Calls for further investigations

    WDR also reported on the topic of DNA contamination in mRNA vaccines on January 18, 2024:

    Here is a summary of the statements.

    Dr. Thomas Voshaar, pulmonary physician at the Moers Clinic, answered the following questions for WDR:

    „Do you agree that it is time for a re-evaluation of these mRNA vaccines?“

    „Yes, absolutely. There are two things that have come to light. One is that DNA may be present in very small quantities due to the manufacturing process. That is a WHO specification. You have to question why this is reasonable and why it is allowed. Because they say there is no relevant risk and that’s why I’m reassured at the moment. But we don’t know that. There are no studies at all on how little is harmless and at what point it might be dangerous.”

    „But why not? Why don’t these studies exist?“

    „Yes, that really is a question. Of course, this new vaccine was developed with this new technology under relatively high pressure, time pressure, and of course this is always emphasized positively, and that’s why some things may have fallen by the wayside. But once again, there was a consensus, including at the WHO, that it was acceptable that certain amounts of DNA could be present due to the manufacturing process. But it remains the case that it is a contaminant. We would rather not have it in there. And now there is also the fact that some laboratories have found that certain batches contain more and larger pieces of DNA than would actually be permitted.”

    „That means, what are you specifically demanding?”

    „One definitely needs to hold the Paul-Ehrlich-Institut (PEI) accountable once again. The Paul-Ehrlich-Institut primarily relies on reviewing the protocols provided by the manufacturer. However, this cannot be left solely to the manufacturer; instead, other laboratories must be commissioned to thoroughly investigate the matter.”

    „We have requested a statement from BioNTech regarding DNA contaminations, but have NOT received any responses.“

    7.8. Brief summary

    • Studies show that the presence of plasmid DNA originating from the production process of mRNA vaccines is unavoidable..
    • The presence of plasmid DNA in the vaccine is not without concern. Whether these DNA remnants pose a safety risk needs to be specifically investigated.
    • Laboratory investigations demonstrate the potential for integration of linearized DNA sequences into mammalian cells, as well as the potentially critical effects of dsDNA on the functionality of human endothelial cells.
    • Studies suggest that residual DNA may potentially be encapsulated within lipid nanoparticles. This could enable it to traverse the cell membrane and enter cells.
    • The presence of SV40 components such as promoter and enhancer carries the potential risk of transporting DNA fragments into the cell nucleus and could also impair the proper functionality of the p53 tumor suppressor gene.
    • Globally, more and more scientists are highlighting these potential hazards and emphasizing the need for additional careful examinations.

    8. Epilogue

    The mRNA technology is undoubtedly an impressive testament to human intelligence. At the same time, it underscores the extreme complexity not only of the individual technological production steps but also of the interactions of these preparations with the human body. Like any highly complex technology platform, it has its pros and cons.

    The debate over DNA contamination in mRNA vaccines, as summarized in this paper, underscores the urgent need for further investigation into the reliability of the technological production process, the standardization of measurement methods and quality assurance thresholds, as well as the assessment of the long-term effects of such therapeutics.

    For products designed for future global use, diligence and thoroughness should be paramount.

    And questions remain:

    Why are mRNA vaccine manufacturers silent on this issue?

    Why aren’t the authorities taking action to refute or gain more clarity on the results and concerns raised by independent labs and scientists through their own manufacturer-independent experimental investigations?

    Let us recall the poignant words of former Chancellor Mrs. Merkel at the beginning of the COVID-19 pandemic:

    „We are a community where every life and every person matters.“

    Acknowledgments

    I would like to express my sincere gratitude to the numerous scientists, researchers, and dedicated individuals who continuously contribute to exploring various aspects of this complex issue through their studies, articles, and presentations. Their dedication and efforts are invaluable and significantly contribute to the advancement of our understanding.

    Sources (as of 15.03.2024)

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  • Fremd-DNA im mRNA-Impfstoff

    Fremd-DNA im mRNA-Impfstoff

    Die wissenschaftliche Diskussion zu DNA-Rückständen in mRNA-Impfstoffen hat sich seit Veröffentlichung dieses Beitrags deutlich weiterentwickelt.

    Ein umfassend erweiterter und methodisch aktualisierter Folgeartikel ordnet die Herstellungsprozesse, Nachweismethoden sowie die bisherigen Studien zu DNA-Rückständen nun ausführlich ein und ersetzt diesen älteren Beitrag inhaltlich weitgehend.

    Zur Artikelserie:
    DNA-Rückstände in modRNA-basierten Impfstoffen

    In den letzten Jahren hat die Entwicklung und Anwendung von mRNA-Impfstoffen einen bedeutenden Fortschritt erlebt. Was einst nur im Labor vorhanden war, ist heute für viele von uns bereits Realität geworden, da wir mehrfach mit mRNA-Impfstoffen geimpft wurden. Diese Technologie wird nun als vielversprechendes Instrument für zukünftige medizinische Maßnahmen betrachtet. Es wird erwartet, dass in naher Zukunft weitere Impfstoffe auf mRNA-Basis auf den Markt kommen, um verschiedene Krankheiten zu bekämpfen. Eine Übersicht dazu findet man hier.

    Aktuell sind weltweit sechs mRNA-Impfstoffe zur Covid-19-Impfung zugelassen, davon zwei in der EU. Die Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA) hat das Sicherheitsprofil dieser zugelassenen mRNA-Impfstoffe als sehr beruhigend eingestuft. Dennoch haben jüngste Medienberichte, die sich mit der Frage der „Fremd-DNA in Corona-Impfstoffen“ befassen, zu kontroversen Diskussionen geführt und verstärkt Aufmerksamkeit erregt.

    Quellen:

    Angesichts der essenziellen Bedeutung der mRNA-Impfstoffe für unsere Gesundheit ist es interessant, den genauen Hintergrund sowie die kritischen Standpunkte näher zu beleuchten.

    In den öffentlichen Debatten werden oft wissenschaftliche Argumente aus dem Zusammenhang gerissen und mit allgemeinen Beschreibungen vermischt. Besonders wenn politische und wirtschaftliche Interessen betroffen sind, scheint die Objektivität im öffentlichen Diskurs zunehmend vernachlässigt zu werden. Die Klärung dieses Themas ist nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht von Bedeutung, sondern auch im gesellschaftlich-politischen Kontext relevant.

    Diese Abhandlung zielt darauf ab, eine Brücke zwischen den hochspezialisierten wissenschaftlichen Erklärungen in der Fachliteratur und den allgemeinverständlichen Beschreibungen in den Medien zu schlagen. Durch die Vermittlung von detailliertem Wissen zum Thema „Fremd-DNA in mRNA-Impfstoffen“ soll dazu beigetragen werden, komplexe Prozesse einem breiteren Publikum verständlich zu machen.

    Es wird daher vorgeschlagen, die einzelnen Abschnitte dieses Artikels in aufeinanderfolgender Reihenfolge zu lesen. Auf diese Weise können die Informationen systematisch aufeinander aufbauen und ein umfassenderes Verständnis des Themas ermöglichen.

    Eine eingehende Beschäftigung mit dem Thema ermöglicht es interessierten Lesern, ihre Wissensbasis zu erweitern und ein tieferes Verständnis für die zugrunde liegenden Zusammenhänge zu entwickeln. Wissen wird in diesem Zusammenhang zu einer entscheidenden Ressource. Personen, die ein besseres Verständnis der Abläufe in der Impfstoffentwicklung haben, sind eher in der Lage, informierte Entscheidungen zu treffen, im Gegensatz zu Personen ohne dieses Wissen, die dazu neigen, sich auf die Aussagen und Überzeugungen anderer zu verlassen.

    1. Entdeckung von Fremd-DNA im Impfstoff
    2. Wo liegt die Brisanz der Studienergebnisse?
    2.1. Bedeutung der DNA für mRNA-Impfstoffe
    2.2. Herstellungsverfahren des BioNTech mRNA-Impfstoffs
    3. Die Herstellungsverfahren in a nutchell
    3.1. Gewinnung der genetischen Information
    3.2. Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA
    3.3. Transkription zur Herstellung der RNA
    3.4. RNA-Prozessierung
    3.5. Reinigung der synthetischen mRNA
    3.6. Die mRNA wird in Lipid-Nanopartikel verpackt
    3.7. Einige Schlussfolgerungen
    4. Methoden zur Messung von DNA und RNA
    4.1. Fluoreszenz-Assay
    4.2. Oxford-Nanopore-Technologie
    4.3. UV-Spektroskopie
    5. Messergebnisse und deren Auswertung
    5.1. Richtlinien zur Begrenzung von Rest-DNA in Impfstoffen
    5.2. Die Messmethoden von Pfizer
    5.3. DNA-Fragmente in C19 mRNA-Impfstoffen entdeckt
    5.4. Reproduktion der Studienergebnisse
    5.5. Kurze Zusammenfassung
    6. Reaktionen und Wissenstand zur Fremd-DNA auf offizieller Seite
    6.1. Die Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA)
    6.2. Das Paul-Ehrlich-Institut (PEI)
    6.3. Kurze Zusammenfassung
    7. Sind weitere Untersuchungen notwendig?
    7.1. Offizielle Aussagen zu DNA-Resten
    7.2. Weitere Studien zum Thema
    7.3. SV40 Sequenzen
    7.4. SV40-Promotor und das p53-Tumorsuppressor-Gen
    7.5. Rest-DNA und die Lipid-Nanopartikel
    7.6. Mögliche Integration in die DNA
    7.7. Weitere Aufrufe zu Untersuchungen
    7.8. Kurze Zusammenfassung
    8. Epilog

    1. Entdeckung von Fremd-DNA im Impfstoff

    Laut einer Studie, die auf der Plattform OSF Preprints am 11. April 2023 veröffentlicht wurde, hat man in Chargen des Pfizer- und Moderna-Impfstoffs, den Covid-19 mRNA-Impfstoffen, DNA-Kontaminationen festgestellt, die die Grenzwerte der Europäischen Arzneimittelagentur (EMA) von 330ng/mg und der FDA von 10ng/Dosis übersteigen. Bei diesen DNA-Verunreinigungen handelt es sich um sogenannte „Fremd-DNA“, also um ein genetisches Material, das nicht natürlicherweise im menschlichen Organismus vorhanden ist. Diese Studie bildet den Auftakt der Untersuchung zu diesem Thema.

    Die Untersuchung wurde unter der Leitung von Kevin McKernan und seinem Team durchgeführt. Dr. Kevin McKernan ist ein US-amerikanischer Genetiker und Pflanzenbiologe. Er war zuerst als Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung des Humangenomprojekts am Massachusetts Institute of Technology (MIT) tätig. Später gründete er die Firma Medicinal Genomics, bei der er als CSO (Chief Scientific Officer) fungiert. Er hat eine umfassende Erfahrung in der Biotechnologiebranche, insbesondere in Projekten zur DNA-Sequenzierung und Genomik. Seine Fachkenntnisse erstrecken sich auf Next-Generation-Sequenzierungstechnologien, und er war maßgeblich an der Entwicklung von Methoden und Technologien zur Entschlüsselung von DNA beteiligt.

    Am 19.10.2023 erschien eine weitere Studie, die erneut die DNA-Kontamination in mRNA-Produkten von Pfizer und Moderna untersuchte. Hauptautor dieser Studie ist Dr. David Speicher, Dr. Kevin McKernan wird hier als Co-Autor genannt.

    Gegenüber The Epoch Times sagte Speicher: „In unserer Studie haben wir DNA-Kopien der Gene Spike, ORI (Replikationsursprung) und SV40-Enhancer-Gene gemessen“. „Die Mengen an SV40-Enhancer-Promotor, ORI und Virus-Spike in Pfizer betragen bis zu 186 Milliarden Kopien pro Dosis.“

    In den Moderna-Fläschchen wurden auch mehrere Millionen Kopien der ORI- und Spike-DNA gefunden, das SV40-Enhancer-Gen wurde dort nicht nachgewiesen. [Studie]

    Dies leitete eine Debatte über die Präsenz von Fremd-DNA in den Corona-Impfstoffen ein.

    2. Wo liegt die Brisanz der Studienergebnisse?

    2.1. Bedeutung der DNA für mRNA-Impfstoffe

    Wie in dem BioNTech-Kurzvideo erläutert, beginnt die Herstellung von mRNA-Impfstoffen mit der Identifizierung der genetischen Information, konkret der DNA, die die Grundlage des Impfstoffs bildet. In diesem Fall handelt es sich um die Spike-Protein-DNA des SARS-CoV-2. Um ausreichend genetisches Material für die Impfstoffproduktion zu gewinnen, wird diese DNA zuerst vervielfältigt. Hierfür stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Die vervielfältigte DNA wird als Schablone genutzt, um die mRNA zu synthetisieren. Die produzierte mRNA trägt die genetische Information für das Spike-Protein.

    2.2. Herstellungsverfahren des BioNTech mRNA-Impfstoffs

    Im Bewertungsbericht der Europäischen Arzneimittel-Agentur (EMA) für den BioNTech mRNA-Impstoff werden auf Seite 18 zwei verschiedene Herstellungsverfahren erwähnt: Prozess 1, der während der klinischen Studien verwendet wurde, und Prozess 2, der während der Großserienproduktion angewendet wird.

    Beim Prozess 1 erfolgt die Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA mittels der Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Beim Prozess 2 wird mithilfe von Bakterien die Spike-Protein-DNA vervielfältigt. Aufgrund der Dringlichkeit, die Nachfrage nach Impfstoffen schnell zu bedienen, wurde ‚Prozess 2‘ als Standard für die Großserienproduktion festgelegt.

    Diesen Sachverhalt brachten erstmals die israelischen Forscher Joshua Guetzkow und Retsef Levi an die Öffentlichkeit. Sie haben Pfizer-Dokumente analysiert, die seit geraumer Zeit Stück für Stück freigeklagt werden (siehe hier: Klage sowie gerichtliche Anordnung). Die Ergebnisse dieser Auswertung wurden im Mai 2022 im British Medical Journal veröffentlicht. Dort kann man folgendes lesen:

    „Eine im Oktober 2020 vorgenommene Änderung am Protokoll der zulassungsrelevanten Pfizer/BioNTech BNT162b2 (Comirnaty) klinischen Studie (C4591001) zeigt, dass nahezu alle im Rahmen der Studie verwendeten Impfstoffdosen aus sogenannten ‚klinischen Chargen‘ stammen, die unter dem Begriff ‚Prozess 1‘ hergestellt wurden. Um jedoch die Produktion für eine groß angelegte Verteilung als ‚Notfallversorgung‘ nach der Zulassung zu steigern, wurde eine neue Methode namens ‚Prozess 2‘ entwickelt. Die Unterschiede umfassen Änderungen am DNA-Template, das zur Transkription der RNA verwendet wird, sowie an der Reinigungsphase und dem Herstellungsprozess der Lipid-Nanopartikel. Es wurde festgestellt, dass Chargen von ‚Prozess 2‘ eine deutlich niedrigere mRNA-Integrität aufweisen. Die Protokolländerung gibt an, dass ‚jede Charge von mit Prozess 2‘ hergestelltem BNT162b2 an etwa 250 Teilnehmer im Alter von 16 bis 55 Jahren verabreicht würde, wobei vergleichende Immunogenitäts- und Sicherheitsanalysen mit 250 zufällig ausgewählten Empfängern von ‚Prozess 1‘-Chargen durchgeführt werden. Nach unserem besten Wissen gibt es keinen öffentlich verfügbaren Bericht zu diesem Vergleich zwischen Dosen von ‚Prozess 1‘ und ‚Prozess 2‘.“

    Mit anderen Worten, das Zulassungsverfahren basierte auf Präparaten, die aus dem Herstellungsverfahren ‚Prozess 1‘ stammten. Diese mRNA-Impfstoffe wurden an 22.000 Probanden verabreicht, und die Aussagen zur Wirksamkeit und Sicherheit des Impfstoffs beruhen auf den Daten dieser Personen. Für den weltweiten Einsatz der mRNA-Impfstoffe wurde jedoch ‚Prozess 2‘ angewendet, ein vollständig unterschiedliches Herstellungsverfahren. Der damit produzierte Impfstoff wurde nur an 250 Probanden getestet.

    In diesem Zusammenhang vermerkt die EMA im Bewertungsberichts für den BioNTech mRNA-Impfstoff auf Seite 32 folgendes:

    „Aufgrund der festgestellten Unterschiede zwischen den nach dem Wirkstoffverfahren 1 und 2 hergestellten Chargen in Bezug auf die CQA (Critical Quality Attribute) mRNA-Integrität und der fehlenden Charakterisierungsdaten wurde ein Haupteinwand in Bezug auf die Vergleichbarkeit, Charakterisierung und klinische Eignung des einen vorgeschlagenen Zulassungskriteriums erhoben. Die biologische Charakterisierung des Wirkstoffs war begrenzt, und es wurden zusätzliche Daten und Diskussionen gefordert, um die Funktionalität zu klären.“

    Die Untersuchungsergebnisse von McKernan und Speicher beziehen sich auf Impfstoff-Chargen, die nach ‚Prozess 2‘ hergestellt wurden.

    Bei der Festlegung des Sicherheitsprofils eines mRNA-Impfstoffs sind bestimmte Merkmale des Impfstoffs von entscheidender Bedeutung, darunter seine Zusammensetzung, Reinheit und Stabilität. Die Reinheit des Impfstoffs ist entscheidend, um sicherzustellen, dass er frei von potenziell schädlichen Verunreinigungen ist. Verunreinigungen könnten unerwünschte immunologische Reaktionen oder andere Nebenwirkungen hervorrufen.

    Die Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA in Bakterien beinhaltet im ‚Prozess 2‘ eine anschließende Reinigung, um DNA-Fragmente, Bakterienreste und prozessbedingte Verunreinigungen zu entfernen.

    Es scheint, dass auch Moderna ein ähnliches Verfahren benutzt. [Studie]

    Jedoch legt die Studie von Speicher DJ et al. nahe, dass die Reinigung der Impflösung offenbar nicht immer effektiv ist. In der Studie heißt es: „Diese Daten belegen das Vorhandensein von Milliarden bis Hunderten von Milliarden DNA-Molekülen pro Dosis in diesen Impfstoffen. Mittels Fluorometrie übertreffen alle Impfstoffe die von FDA und WHO festgelegten Richtlinien für Rest-DNA von 10 ng/Dosis um das 188- bis 509-fache.“

    Um ein besseres Verständnis dieser Situation und deren potenzielle Auswirkungen zu erlangen, werden in den folgenden Kapiteln die Herstellungsverfahren der mRNA-Impfstoffe sowie die Methoden zur Qualitätssicherung genauer vorgestellt.

    3. Die Herstellungsverfahren in a nutchell

    Wie bereits beschrieben, unterscheiden sich ‚Prozess 1‘ und ‚Prozess 2‘ vor allem in der Art und Weise, wie die Spike-Protein-DNA vervielfältigt wird, die als Vorlage für die Herstellung der mRNA dient, die den Bauplan für das Spike-Protein des Coronavirus enthält.

    ‚Prozess 1‘ nutzt PCR-Geräte für die Vervielfältigung der DNA, ein in-vitro-Verfahren, während ‚Prozess 2‘ Bakterien für die Vervielfältigung der DNA verwendet, was ein in-vivo-Verfahren darstellt.

    Die folgende Tabelle stellt grob die Gemeinsamkeiten und Unterschiede im Pfizer-Produktionsprozess dar, der in der Realität variieren kann.

    (*) Informationen zum Herstellungsverfahren laut EMA „EPAR zum Covid-19-Impfstoff von BioNTech/Pfizer“ (in Abschnitt 2.2., Seite 32)

    3.1. Gewinnung der genetischen Information
    3.2. Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA
    3.2.1. Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA - im Prozess 1
    3.2.2. Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA - im Prozess 2
    3.3. Transkription zur Herstellung der RNA
    3.4. RNA-Prozessierung
    3.5. Reinigung der synthetischen mRNA
    3.5.1. Reinigung der synthetischen mRNA im Prozess 1
    3.5.2. Reinigung der synthetischen mRNA im Prozess 2
    3.6. Die mRNA wird in Lipid-Nanopartikel verpackt
    3.7. Einige Schlussfolgerungen

    3.1. Gewinnung der genetischen Information

    Der erste Schritt ist die Identifizierung der genetischen Information (DNA) für das gewünschte Protein, in diesem Fall das Spike-Protein des Coronavirus.

    Abb.1: Die genetische Information des SARS-CoV-2 Spike-Proteins dient als DNA-Vorlage

    Die identifizierte DNA des Spike-Proteins dient im Herstellungsprozess als Vorlage für die Synthese von mRNA. In diesem Zusammenhang wird die identifizierte DNA-Sequenz oft als „DNA-Matrize“ oder „DNA-Template“ bezeichnet.

    Um an die DNA des Spike-Proteins zu gelangen, muss man zunächst das Virus aus einer infizierten Probe, wie zum Beispiel Blut oder Gewebe, isolieren. Anschließend wird das Virus sequenziert, um die exakte Abfolge der Nukleotide (der genetischen ‚Buchstaben‘) in der Virus-DNA zu bestimmen. Die gewonnenen genetischen Informationen werden in öffentliche Datenbanken eingetragen. Dadurch können Forscher und Biotechniker auf bereits veröffentlichte genetische Daten zugreifen, selbst wenn sie das Virus nicht selbst isoliert haben. Mit den Sequenzierungsdaten des Virus sind Biotechniker in der Lage, das Spike-Protein synthetisch herzustellen.

    Es ist üblich, dass Forschungsteams oder Unternehmen auf bereits veröffentlichte genetische Daten zurückgreifen, die von anderen Forschern in öffentlichen Datenbanken bereitgestellt wurden. Diese Herangehensweise wird von Francis Aurelio deSouza, CEO von Illumina (2016 bis 2023), in der Diskussion „World Economic Forum Panel on Preparing for the Next Pandemic“ (Minute: 12:20-13:51) im Fall des SARS-CoV-2 kurz beschrieben.

    3.2. Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA

    3.2.1. Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA - im Prozess 1
    3.2.2. Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA - im Prozess 2
    3.2.1. Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA – im Prozess 1

    ‚Prozess 1‘ nutzt PCR-Geräte zur Vervielfältigung der DNA, ein in-vitro-Verfahren. Der Begriff ‚in vitro‚ bezieht sich auf Experimente oder Prozesse, die außerhalb eines lebenden Organismus, typischerweise in einem Reagenzglas oder einer Petrischale, durchgeführt werden. Die PCR imitiert die Vervielfältigung von DNA, wie sie auch in lebenden Organismen stattfindet.

    Seit Beginn der Corona-Pandemie kennen wir alle die Abkürzung PCR. Was PCR ist und wie PCR funktioniert, wissen jedoch nur die wenigsten. Daher hier ein kurzer Überblick.

    Polymerase Kettenreaktion (PCR)

    PCR ist die Abkürzung für Polymerase Chain Reaction oder zu deutsch Polymerase-Kettenreaktion. Mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion können von einem bestimmten DNA-Abschnitt in vitro viele Kopien hergestellt werden.

    Um eine Polymerase-Kettenreaktion (PCR) zu starten, benötigt man verschiedene Zutaten und Geräte:

    a) Die DNA-Vorlage (engl.: DNA-Template), die vervielfältigt werden soll (siehe Abb.1).

    b) Nukleotide: Um eine neue DNA zu synthetisieren, werden viele Nukleotide benötigt, da sie die Grundbausteine der DNA sind. Es gibt insgesamt vier Arten von Nukleotiden, die die genetische Information tragen: Adenin (A), Thymidin (T), Cytosin (C) und Guanin (G).

    Abb.2: Nukleotide

    c) DNA-Polymerase: Bei der DNA-Polymerase handelt es sich um ein Enzym, das eine entscheidende Rolle bei der Synthese von DNA spielt. Man kann sie sich wie einen Baumeister vorstellen. Die DNA-Polymerase nimmt die vorhandene DNA als Vorlage und verwendet die Nukleotid-Bausteine, um einen neuen DNA-Strang zu bauen. Sie fügt diese Bausteine in der richtigen Reihenfolge zusammen, um sicherzustellen, dass die Kopie der DNA genauso aussieht wie das Original.

    d) Primer: Ein Primer ist eine kurze DNA-Sequenz, die als Startpunkt für die DNA-Synthese dient. Der Primer ist also so etwas wie ein Wegweiser für die DNA-Polymerase. Er sagt der Polymerase, wo sie beginnen soll, die DNA zu kopieren, und in welche Richtung sie gehen soll.

    Abb.3: Schematische Darstellung des Enzyms DNA-Polymerase und der Primer

    e) Pufferlösung: Die Pufferlösung schafft eine stabile und kontrollierte Umgebung für die PCR, damit die DNA-Polymerase effizient arbeiten kann. Sie optimiert den pH-Wert, stabilisiert die Enzymaktivität und sorgt dafür, dass die notwendigen Ionen (meist Magnesiumionen) vorhanden sind, um eine erfolgreiche DNA-Synthese zu ermöglichen.

    Oder vereinfacht: Die Pufferlösung in der PCR ist wie die Brühe in einer Suppe. Denk dir die PCR-Reaktion als das Kochen eines komplexen Gerichts, bei dem alle Zutaten perfekt zusammenspielen müssen. Die Pufferlösung spielt die Rolle der Brühe, die nicht nur den Geschmack beeinflusst, sondern auch sicherstellt, dass alles reibungslos verläuft. Kurz gesagt, die Pufferlösung ist wie die „Brühe“, die die PCR zu einem gelungenen „Gericht“ macht, bei dem die DNA-Polymerase die Hauptzutat ist.

    f) Thermocycler: Ein Gerät, das die PCR-Temperaturzyklen automatisch durchführt. Es ermöglicht die präzise Kontrolle der Temperatur für die verschiedenen PCR-Schritte.

    Abb.4: Schematische Darstellung der Pufferlösung und eines Thermocylers

    Ablauf der Polymerase Kettenreaktion

    Alle Zutaten wie die DNA-Vorlage, die Nukleotide, die DNA-Polymerase und die Primer werden in ein Röhrchen mit Pufferlösung gegeben. Das Röhrchen kommt dann in den Thermocycler. Zu den grundlegenden Schritten des Verfahrens gehören die Denaturierung, Primerbindung und DNA-Synthese.

    Schritt 1 – Denaturierung (Aufspalten): Die PCR beginnt mit der Erhitzung der DNA-Vorlage im Thermocycler. Dabei wird die DNA auf etwa 94-98°C für etwa 20-30 Sekunden erhitzt. Dadurch trennen sich die beiden Stränge der DNA (Denaturierung), weil die Bindungen zwischen den Nukleotiden aufbrechen. Aus einem DNA Doppelstrang entstehen zwei DNA Einzelstränge, die als Vorlage für ihre Vervielfältigung dienen.

    Abb.5: Denaturierung

    Schritt 2 – Primerbindung: Im zweiten Schritt wird das Reaktionsgemisch auf circa 50-65°C abgekühlt. Jetzt binden sich die Primer an die jeweiligen Einzelstränge der DNA. Die Primer dienen als Startpunkte für die DNA-Synthese. In der PCR werden zwei Primer verwendet, einen für jeden Strang der DNA, um die gewünschte Region zu markieren, die vervielfältigt werden soll. Es gilt das Prinzip der komplementären Basenpaarung (Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin).

    Abb.6: Primerbindung

    Schritt 3 – DNA-Synthese: Dieser Schritt wird auch als Amplifikation (lat. amplificatio: Verstärkung), Elongation (lat. elongare: verlängern) oder Polymerisation (griech. poly: viele;  griech. meros: Teil) bezeichnet. Die Temperatur wird auf die optimale Arbeitstemperatur der DNA-Polymerase (ungefähr 70°C) eingestellt. Die DNA-Polymerase bindet an den Primer und startet die Synthese des neuen DNA-Strangs. Währenddessen liest sie den Einzelstrang der DNA-Vorlage in Richtung 3′ zu 5′ und synthetisiert die neue DNA in Richtung 5′ zu 3′. Dies erfolgt unter Verwendung der Basenpaarungsregeln (A mit T und G mit C), wodurch zwei neue Doppelstränge entstehen.

    Abb.7: DNA-Synthese

    Wiederholung der Zyklen

    Die so entstandenen DNA-Doppelstränge dienen als Vorlagen für den nächsten Zyklus. Die Schritte 1 bis 3 werden solange wiederholt, bis die erforderliche Menge DNA erreicht ist. Jeder Zyklus verdoppelt die Menge an DNA. Der Begriff „Polymerase-Kettenreaktion“ beschreibt die zyklische Natur dieser Technik. Er verdeutlicht, dass der Prozess in aufeinanderfolgenden Zyklen wiederholt wird, wobei jede Runde zu einer exponentiellen Vermehrung der DNA (1-2-4-8-16-32 usw.) führt.

    Abb.8: Exponentielle Vermehrung der DNA
    3.2.2. Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA – im Prozess 2

    ‚Prozess 2‘ nutzt lebende Zellen, genauer Bakterien, zur Vervielfältigung der DNA, ein in-vivo-Verfahren. in vivo (lateinisch für ‚im Lebendigen‘) bezeichnet in der Wissenschaft Prozesse, die im lebendigen Organismus ablaufen.

    a) Warum Bakterien?
    b) Das Bakterium Escherichia coli (E. coli)
    c) Plasmide
    d) Plasmide in der Gentechnik
    e) Plasmide in der Impfstoffherstellung
    f) Einbau der Spike-Protein-DNA in das Plasmid
    g) Übertragung der modifizierten Plasmide in Bakterien
    h) Vermehrung der Bakterien
    i) Ernte der Bakterien
    j) Isolierung der modifizierten Plasmide
    k) Linearisierung der Spike-Protein-DNA
    a) Warum Bakterien?

    Der Kern der Evolution liegt in der kontinuierlichen Veränderung des genetischen Materials. Diese Flexibilität ist entscheidend dafür, dass Organismen sich im Laufe der Generationen neuen Umweltbedingungen erfolgreich anpassen können. Es gibt verschiedene Wege, wie Lebewesen ihr Erbgut modifizieren. Mutationen verändern bestehende genetische Elemente, während Gentransfer neue Elemente hinzufügen kann.

    Für höhere, mehrzellige Organismen erfolgt die Durchmischung des Erbguts in der Regel durch die Kreuzung artgleicher Individuen. Die Vereinigung von väterlichen und mütterlichen Keimzellen führt zur Entstehung eines neuen Organismus mit einer einzigartigen Genkomposition.

    Im Gegensatz dazu haben einzellige Organismen wie Bakterien keine Geschlechterausbildung und vermehren sich durch einfache Teilung. Bei der Teilung bildet die Bakterienzelle zwei identische Tochterzellen aus. Dieser Prozess beginnt mit der Verdopplung des genetischen Materials in der Zelle, gefolgt von der Teilung der Zelle selbst.

    Abb.9: Bakterien teilen sich

    Bei Prokaryoten (wie Bakterien) erfolgt alles, was für das Überleben, die Vermehrung und die Weiterentwicklung notwendig ist, innerhalb der Einzelzelle. Dennoch streben auch sie nach genetischem Austausch und gelten als besonders anpassungsfähig.

    Im Gegensatz zu Eukaryoten (wie Menschen) ist die Erbinformation der Bakterien, ihre DNA, nicht in einem Zellkern verpackt. Sie schwimmt frei im Inneren der Zelle, im sogenannten Zytoplasma.

    Abb.10: Aufbau eines Bakteriums

    Der Großteil des genetischen Materials ist in einem einzelnen DNA-Molekül, dem Bakterienchromosom, gespeichert. Zusätzlich besitzen Bakterien eigenständige, ringförmige DNA-Moleküle, sogenannte Plasmide. Diese Plasmide spielen eine besondere Rolle beim Gentransfer, da sie häufig wichtige Zusatzinformationen enthalten. [Gentechniken]

    Durch Plasmide können Bakterien diese Zusatzinformationen untereinander austauschen. Dieser Gentransfer ermöglicht es Bakterien, rasch neue genetische Informationen zu erlangen, was ihnen Vorteile bei der Anpassung an die Umwelt, der Resistenz gegenüber Antibiotika oder der Fähigkeit zur Nutzung neuer Nahrungsquellen verschaffen kann. Dieser Mechanismus verleiht Bakterien die Fähigkeit, sich effektiv an veränderte Umweltbedingungen anzupassen und erfolgreich zu überleben.

    Die Möglichkeit, genetisches Material in Bakterien einzuführen und zu manipulieren, insbesondere durch die Verwendung von Plasmiden, hat einen wichtigen Meilenstein in der Entwicklung der Gentechnik markiert.

    Die Geburtsstunde der Gentechnik kann auf das Experiment von Stanley Cohen und Herbert Boyer im Jahr 1973 zurückgeführt werden. In diesem Experiment führten sie ein Plasmid in Bakterien ein und zeigten, dass das eingeschleuste Gen in den Bakterien exprimiert werden konnte; was bedeutet, das Gen wurde in den Bakterien aktiviert. Dies war der erste erfolgreiche Versuch, ein Gen von einer Art auf eine andere zu übertragen. Das verwendete Plasmid trug Antibiotika-Resistenzgene, die es den Wissenschaftlern ermöglichten, die transformierten Bakterien von den nicht transformierten zu unterscheiden. Diese bahnbrechende Arbeit bildete die Grundlage für die moderne Gentechnik. [Das Cohen-Boyer-Experiment]

    b) Das Bakterium Escherichia coli (E. coli)

    In der Wissenschaft und Forschung wird gern das Bakterium Escherichia coli (E. coli) verwendet und dafür gibt es mehrere Gründe:

    • E. coli lässt sich leicht im Labor kultivieren und vermehren.
    • Die Vermehrungszeit von E. coli ist relativ kurz, typischerweise im Bereich von 20 bis 30 Minuten.
    • Das Genom von E. coli ist gut erforscht und verstanden.
    • E. coli lässt sich leicht genetisch manipulieren.
    • Die Kultivierung von E. coli ist im Vergleich zu einigen anderen Organismen kostengünstig.
    Abb.11: Escherichia coli

    Escherichia coli ist molekularbiologisch und genetisch der am besten untersuchte Organismus und wird deswegen auch das Haustier der Genetiker genannt.

    Aus diesen Gründen wird E. coli auch in der Impfstoffentwicklung eingesetzt.

    c) Plasmide

    Plasmide sind zusätzliche DNA-Moleküle in Bakterien, die unabhängig vom Bakterienchromosom existieren. Sie sind kleiner als das Bakterienchromosom und können in der Zelle variabel in ihrer Anzahl sein. Plasmide liegen als doppelsträngige DNA vor. Sie sind in der Regel ringförmig, was bedeutet, dass die DNA in einem geschlossenen Kreis angeordnet ist. Diese ringförmige Struktur unterscheidet Plasmide von der linearen DNA, die im Zellkern von Eukaryoten (wie Menschen) vorkommt.

    Abb.12: Schematische Darstellung der DNA des Escherichia coli

    Ein Plasmid kann verschiedene genetische Informationen tragen. Es könnte zum Beispiel ein Gen für Antibiotika-Resistenz, ein Gen für die Produktion eines bestimmten Proteins oder andere nützliche Gene enthalten.

    Damit Wissenschaftler sehen, welche Gene auf dem Plasmid vorliegen und wie sie angeordnet sind, benutzen sie sogenannte „Plasmidkarten“. Die Plasmidkarte ist eine schematische Darstellung der genetischen Struktur der Plasmid-DNA. Die folgende Abbildung soll grundlegende Begriffe erklären.

    Abb.13: Plasmidkarte – schematische Darstellung der Plasmid-Gene

    ORI (Origin of Replication): In der Plasmid-DNA gibt es einen besonderen Bereich, den man als „origin of replication“ (Replikationsursprung) oder kurz „ORI“ bezeichnet. Der Replikationsursprung ist wie der Startknopf für die Verdoppelung des Plasmids. Wenn das Bakterium merkt, dass es sich vermehren muss (wenn Umweltbedingungen und interne Signale günstig sind), kann es diesen Startknopf drücken, und das Plasmid macht eine Kopie von sich selbst. Damit das Plasmid sich erfolgreich vermehren kann, muss dieser ORI zum Bakterium passen, ähnlich wie ein Schlüssel zum Schloss. Wenn ORI und Bakterium kompatibel sind, kann sich das Plasmid selbstständig vermehren, auch unabhängig von der Zellteilung.

    Selektionsmarker: Das sind besondere Gen-Abschnitte, die den Bakterien einen Überlebensvorteil unter bestimmten Bedingungen geben. Häufig sind dies Antibiotikaresistenzgene, die es den Bakterien erlauben, in einem Medium mit einem bestimmten Antibiotikum zu überleben.

    Promoter: Der Promoter ist eine spezielle DNA-Region, die die Aktivität von Genen steuert. Er wirkt wie ein Startsignal, das den Beginn der Genexpression, also die Herstellung von Proteinen aus den Genen, ermöglicht. Der Promoter ist wichtig, weil er den Zeitpunkt und die Menge der Proteinsynthese beeinflusst. Er reguliert, wann und wie stark bestimmte Gene auf dem Plasmid abgelesen werden und steuert somit die Produktion der entsprechenden Proteine.

    Restriktionsstellen: Restriktionsstellen sind bestimmte DNA-Sequenzen auf einem Plasmid, die durch Restriktionsenzyme erkannt und geschnitten werden können. Restriktionsenzyme sind Proteine, die dazu neigen, DNA an spezifischen Sequenzen zu schneiden. Bakterien nutzen Restriktionsstellen als Teil ihrer Verteidigungsstrategie. Wenn ein Bakterium auf eine fremde DNA stößt, die nicht zu ihm gehört, kann es Restriktionsenzyme einsetzen, um diese DNA zu schneiden und zu zerstören.

    d) Plasmide in der Gentechnik

    Obwohl Restriktionsenzyme ursprünglich Teil der bakteriellen Abwehr gegen fremde DNA sind, nutzen Wissenschaftler in der Gentechnik diese Enzyme gezielt für den Gentransfer.

    Wenn ein Forscher beispielsweise DNA in ein Plasmid einführen möchte, kann er Restriktionsenzyme verwenden. Die Restriktionsenzyme sind wie winzige molekulare Scheren. Sie erkennen eine bestimmte Abfolge von DNA-Buchstaben (Nukleotiden) in der DNA. Diese Abfolge wird als Restriktionsschnittstelle bezeichnet. Wenn das Restriktionsenzym die spezifische DNA-Sequenz findet, bindet es sich daran und schneidet die DNA an dieser spezifischen Stelle. Es schneidet beide DNA-Stränge, um die DNA an dieser Stelle zu unterbrechen. Durch den Schnitt entstehen zwei getrennte DNA-Fragmente. Diese Fragmente können weiter verwendet werden, indem man eine fremde DNA in diese Lücke einsetzt und die Enden mit einem Enzym namens DNA-Ligase wieder verbindet.

    Dieser Mechanismus wird als Restriktionsverdaulichkeit bezeichnet. Er ermöglicht es, fremde DNA in ein Plasmid einzuführen. Es ist eine Schlüsseltechnologie in der Gentechnik, um gezielte genetische Manipulationen durchzuführen und Gene in Bakterien zu übertragen.

    Die Abb.13-b zeigt eine Plasmidkarte mit einem eingefügten Gen, auch als Insert-Gen bezeichnet.

    Insert-Gen: Das Insert-Gen ist das eigentliche Gen oder die genetische Sequenz, die in das Plasmid eingeführt wird. Dies kann ein Gen sein, das für ein bestimmtes Protein kodiert, oder eine andere genetische Information, die untersucht oder exprimiert werden soll.

    Eine kurze, animierte Zusammenfassung darüber, was ein Plasmid ist und wofür es verwendet wird, findet sich hier.

    e) Plasmide in der Impfstoffherstellung

    Die Fähigkeit des Plasmids, sich selbst zu vervielfältigen, macht es für die Forschung und Biotechnologie sehr interessant. Man kann es nutzen, um eine bestimmte Fremd-DNA, die man vorher in das Plasmid eingebracht hat, in großen Mengen zu produzieren.

    f) Einbau der Spike-Protein-DNA in das Plasmid

    Die DNA für das Spike-Protein des SARS-CoV-2 wird in das Plasmid eingefügt; manchmal sagt man auch, es wird „einkloniert“. Spezielle Enzyme wirken wie genetische Scheren (Restriktionsenzyme) und Klebstoffe (Ligasen). Sie schneiden das Plasmid an einer bestimmten Stelle auf und fügen das Spike-Protein-Gen ein. Nachdem das Gen an seinem Platz ist, wird das Plasmid wieder geschlossen.

    Abb.14: Einbau des SARS-CoV-2 Spike-Protein-Gens in ein Plasmid

    Die Spike-DNA wird jedoch nicht allein in das Plasmid eingebracht, sondern zusammen mit anderen genetischen Elementen.

    Wie bereits zu Beginn erwähnt, wurden von Speicher et al. bei der Untersuchung der Impfstoffe von Pfizer und Moderna auch andere Sequenzen gefunden, darunter ORI, SV40-Komponenten und ein Antibiotikaresistenzgen.

    Schauen wir uns eine vereinfachte Darstellung der Plasmidkarten von Pfizer und Moderna an. Eine genauere Darstellung findet man hier.

    Abb.15: Vereinfachte Darstellung der Plasmidkarten von Pfizer und Moderna.

    ORI (Origin of Replication): Der ORI dient als Startpunkt für die DNA-Replikation. Er liefert Signale, die dem Replikationsapparat mitteilen, wo er mit der Verdopplung der DNA beginnen soll.

    Spike-Protein-Gen: Das Spike-Protein-Gen kodiert für das Spike-Protein, das auf der Oberfläche des SARS-CoV-2-Virus vorhanden ist und eine wichtige Rolle bei der Infektion von Wirtszellen spielt.

    SV40-Gen-Komponenten: SV40 steht für Simianes Virus 40, ein Virus, das in Affen gefunden wurde. SV40 kann sowohl Affen als auch Menschen infizieren. Das SV40-Enhancer-Gen und der SV40-Origin of Replication (Ori) werden häufig in der Molekularbiologie als Werkzeuge verwendet, um die Expression von Genen und die Replikation von DNA in Zellen zu fördern. (Die Expression von Genen bezieht sich auf den Prozess, bei dem die genetische Information eines Gens in ein funktionales Protein umgewandelt wird.) SV40-Gen-Komponenten wurde nur im Pfizer-Impfstoff gefunden.

    Antibiotikaresistenzgen: Dieses Gen kodiert für eine Eigenschaft, die Bakterien vor Antibiotika schützen. In der Genetik wird es häufig als Selektionsmarker verwendet. Nur diejenigen Bakterien, die das fremde Gen über das Plasmid aufgenommen haben, überleben in einer Umgebung mit dem entsprechenden Antibiotikum. Damit ist es möglich, im Produktionsprozess nur die Bakterien zu bekommen, die das modifizierte Plasmid erfolgreich aufgenommen haben. Moderna verwendet das „Kanamycin-Resistenzgen“ und Pfizer das „Neo/Kan-Resistenzgen“. Neo/Kan-Resistenzgen ist eine Abkürzung für ein Gen, das für die Resistenz gegenüber den Antibiotika Neomycin und Kanamycin verantwortlich ist.

    g) Übertragung der modifizierten Plasmide in Bakterien

    Die so modifizierten Plasmide, die jetzt das Spike-Protein-Gen tragen, werden dann in die E. coli Bakterien eingeführt. Dieser Prozess wird als Transformation bezeichnet. Die Bakterien nehmen das Plasmid auf und integrieren es in ihre Zellstruktur.

    In der Molekularbiologie und Gentechnik werden Plasmide oft als Vektoren bezeichnet, wenn sie dazu verwendet werden, fremde genetische Information zu transportieren und zu vervielfältigen. Vektoren dienen als Transportmittel zur Übertragung von Fremd-DNA in eine Wirtszelle (Bakterium).

    Abb.16: Das Plasmid als Vektor
    h) Vermehrung der Bakterien

    Die Bakterien kommen nun in einen Fermenter. Ein Fermenter, auch als Bioreaktor bezeichnet, ist ein Gerät, das in der Biotechnologie verwendet wird, um Produkte wie Antibiotika, Enzyme, Vitamine oder Impfstoffe herzustellen. Mit ihnen ist die großtechnische Herstellung möglich. Ein Fermenter ermöglicht die präzise Kontrolle von Faktoren wie Temperatur, pH-Wert, Belüftung, Rührgeschwindigkeit, Nährstoffzufuhr und anderes.

    Das Nährmedium im Fermenter enthält alle notwendigen Nährstoffe für die Bakterien. Unter diesen geeigneten Bedingungen beginnen die Bakterien, sich zu vermehren. Während dieser Vermehrung replizieren sich auch die Plasmide innerhalb der Bakterien.

    Damit sich nur die Bakterien vermehren, die das Plasmid mit dem Spike-Protein-Gen aufgenommen haben, wird den Bakterien im Fermenter noch das Antibiotikum zugeführt. Nur die Bakterien überleben, die das modifizierte Plasmid erfolgreich eingefügt haben, da sich das Spike-Protein-Gen im gleichen Plasmid befindet wie die Antibiotikaresistenz (siehe Abb.15 und 16).

    E. coli-Bakterien können sich alle 20-30 Minuten einmal teilen. Innerhalb von wenigen Tagen hat sich im Fermenter eine Kolonie von Trillionen Bakterien mit modifizierten Plasmiden entwickelt, die die Erbinformation des Spikeproteins tragen.

    i) Ernte der Bakterien

    Nachdem die E. coli-Zellen das Plasmid mit der SARS-CoV-2-Spike-Sequenz produziert haben, werden sie geerntet. „Ernten“ bezieht sich auf den Prozess, bei dem Zellen aus dem Kulturmedium entfernt und gesammelt werden. Das Sammeln geschieht normalerweise durch Zentrifugation, wodurch die Zellen am Boden eines Behälters konzentriert werden.

    j) Isolierung der modifizierten Plasmide

    Die Isolierung der modifizierten Plasmide erfolgt durch Lyse der Bakterien, gefolgt von verschiedenen Reinigungsschritten, um Verunreinigungen zu entfernen. „Lysieren“ bezeichnet den Prozess des gezielten Aufbrechens oder Zerstörens der Zellmembran von E. coli-Zellen, um den zellulären Inhalt freizusetzen.

    Abb.17: Ernte und Lyse der Bakterien

    Das Aufbrechen der Zellmembran während des Lysierungsprozesses führt dazu, dass der gesamte zelluläre Inhalt, bestehend aus DNA, Proteinen und anderen Molekülen, freigesetzt wird. Nach der Lyse befinden sich der zelluläre Inhalt der Bakterien sowie der verbliebene Rest der Zellmembran in der Lösung (Abb.17 und 18).

    Abb.18: Weitere Bestandteile der Lösung nach der Lyse der Bakterien

    Daher erfolgt nach der Lyse die Reinigung des extrahierten Materials durch verschiedene Verfahren, um die modifizierten Plasmide zu isolieren. Reinigungsschritte entfernen unerwünschte Verunreinigungen, wie z.B. Proteine und andere zelluläre Bestandteile (siehe dazu Abschnitt 3.5.2. Reinigung der synthetischen mRNA im Prozess 2).

    Die Plasmide liegen zu diesem Zeitpunkt in ihrer ringförmigen Struktur vor.

    k) Linearisierung der Spike-Protein-DNA

    Das isolierte Plasmid wird nun gezielt mithilfe eines Restriktionsenzyms geschnitten. Dieses Restriktionsenzym erkennt die spezifische DNA-Sequenz des SARS-CoV-2-Spike und schneidet es aus dem Plasmid. Durch den Schnitt entsteht eine lineare Form der SARS-CoV-2-Spike-Sequenz, die nun für die Transkription besser zugänglich ist. Lineare DNA wird in der Regel besser von den Enzymen erkannt, die für die Transkription verantwortlich sind.

    Abb.19: Linearisierung der Spike-Protein-DNA

    3.3. Transkription zur Herstellung der RNA

    Die Transkription ist der Prozess, bei dem aus der DNA die RNA synthetisiert wird oder anders formuliert, Transkription ist das „Umschreiben“ der DNA in RNA. Die in-vitro Transkription (IVT) erfolgt mithilfe von Enzymen, die als RNA-Polymerasen bezeichnet werden (siehe Abb.20).

    Abb.20: Transkription – Umschreiben der DNA in RNA

    Die Transkription besteht aus drei Hauptphasen:

    Initiation (Start): Die RNA-Polymerase setzt sich am Anfang der DNA-Matrize fest. Dabei erkennt sie spezifische DNA-Sequenzen, bekannt als Promotoren, die den Startpunkt der Transkription definieren. Um mit der Transkription zu beginnen, wird die DNA-Matrize zuerst denaturiert. Das bedeutet, dass die Doppelhelix der DNA aufgetrennt wird, um die einzelsträngige DNA für die RNA-Synthese zugänglich zu machen.

    Elongation (Verlängerung): Nun  bewegt sich die RNA-Polymerase entlang der DNA-Matrize und liest sie ab. Polymerasen bewegen sich von 5′ nach 3′ (mehr dazu hier). Während des Ablesens baut die RNA-Polymerase mit den RNA-Nukleotiden (den Bausteinen der RNA) den RNA-Strang auf. Dies geschieht durch die Bildung komplementärer Basenpaare zwischen den RNA-Nukleotiden und den Basen der DNA-Matrize. Die Basenpaarung erfolgt zwischen Adenin (A) und Uracil (U), sowie zwischen Cytosin (C) und Guanin (G).

    Termination (Beendigung): Die Transkription endet an einem spezifischen Stopp-Signal auf der DNA. Die RNA-Polymerase löst sich von der DNA, und die synthetisierte RNA wird freigesetzt.

    Aus der doppelsträngigen DNA ist eine einzelsträngige RNA entstanden. DNA und RNA ähneln sich in Zusammensetzung und Struktur, weisen aber entscheidende Unterschiede auf:

    Funktion: Die DNA enthält die genetische Information, die für den Aufbau und die Funktion eines Organismus erforderlich ist. Die RNA ist für die Umsetzung der genetischen Informationen in Proteine zuständig.

    Struktur: Die DNA ist normalerweise als Doppelhelix angeordnet, wobei zwei Stränge miteinander verflochten sind. Die RNA ist in der Regel als einzelner Strang vorhanden, obwohl sie bestimmte regionale Doppelhelix-Strukturen annehmen kann.

    Basen: Beide enthalten Adenin (A), Cytosin (C) und Guanin (G), aber in der DNA wird Thymin (T) verwendet, während in der RNA Uracil (U) anstelle von Thymin vorkommt. Dies bedeutet, dass die Basenpaarung in der DNA Adenin-Thymin (A-T) und Cytosin-Guanin (C-G) ist, während es in der RNA Adenin-Uracil (A-U) und Cytosin-Guanin (C-G) ist.

    Stabilität und Lebensdauer: Die DNA ist in der Regel stabiler und hat eine längere Lebensdauer als RNA. RNA-Moleküle können in der Zelle schneller abgebaut werden, und das liegt an der Base Uracil. Uracil ist eine instabile Base, die leicht durch Enzyme abgebaut werden kann.

    Warum benutzt der Organismus Uracil in der RNA?

    Der schnelle Abbau von RNA hilft der Zelle, sich rasch an Veränderungen anzupassen. Die kurze Lebensdauer von RNA ermöglicht es der Zelle, ihre genetische Information zügig zu verändern, was besonders wichtig ist für Prozesse wie Zellteilung und Anpassung an neue Umweltbedingungen. Uracil ermöglicht es der Zelle auch, Gene schnell ein- oder auszuschalten, was entscheidend ist, um sich an unterschiedliche Bedingungen anzupassen. Zusammengefasst kann man sagen, Uracil in RNA verleiht der Zelle mehr Flexibilität und Kontrolle über ihre genetische Information, was ihre Anpassungsfähigkeit und Überlebensfähigkeit entscheidend beeinflusst.

    Uracil ist eine Komponente von Uridin, einer Verbindung, die zusätzlich Zucker enthält. Uridin ist somit ein Molekül, das aus Uracil und Zucker besteht, beide sind Bestandteile der RNA (siehe Abb.21).

    Abb.21: Nukleotid – Grundbaustein der RNA 

    Für die Herstellung von mRNA-Impfstoffen nutzt man Pseudouridin anstelle von Uridin, um eine stabile RNA zu gewährleisten, die langsamer abgebaut wird. [transkript]

    Sowohl die mRNA-Impfstoffe von Pfizer als auch von Moderna enthalten Pseudouridin mψU anstelle von Uridin. [spektrum]

    Während der Transkription wird das synthetische Nukleosid N-Methyl-Pseudouridin (mψU) anstelle des natürlichen Nukleosids Uridin in die künstliche RNA eingebaut (siehe Abb.22).

    Abb.22: Transkription – Umschreiben der DNA in RNA (prä-mRNA) mit Pseudouridin anstelle von Uridin

    Bei der Transkription können jedoch neben der gewünschten RNA auch unerwünschte Nebenprodukte wie DNA-RNA-Hybride und doppelsträngige RNA (dsRNA) entstehen. 

    DNA-RNA-Hybride

    Die Bildung von DNA-RNA-Hybriden während der Transkription erfolgt, wenn der entstehende RNA-Strang sich an einen DNA-Einzelstrang bindet. Dieses Nebenprodukt besteht aus einem Teil DNA und einem Teil RNA, was zu einem Hybridmolekül führt.

    Abb.23: DNA-RNA-Hybride

    Nach der in-vitro Transkription (IVT) erfolgt der Abbau dieser DNA-RNA-Hybride nicht spontan wie in lebenden Zellen. Um solche Nebenprodukte zu entfernen, werden spezifische Reinigungsschritte (siehe Abschnitt 3.5.2.) durchgeführt.

    Doppelsträngige RNA (dsRNA)

    Auch die Bildung von doppelsträngiger RNA (dsRNA) während der in-vitro-Transkription (IVT) von Messenger-RNA (mRNA) ist ein unerwünschtes Nebenprodukt. [NIH – Doppelsträngige RNA…]

    Wie bereits oben beschrieben, setzt die Transkription erst ein, sobald die DNA-Matrize denaturiert wird, also in zwei einzelne Stränge aufgetrennt wird. An diesem Punkt bindet die RNA-Polymerase an die entstandene einzelsträngige DNA-Matrize und initiiert die Synthese eines komplementären RNA-Strangs. Unter spezifischen Bedingungen, wie etwa in einer denaturierenden Umgebung, können die frisch synthetisierten RNA-Stränge dazu neigen, miteinander zu interagieren und eine doppelsträngige Struktur zu bilden. Dies kann auf zwei Arten geschehen:

    Intermolekulare Basenpaarung: Zwei RNA-Stränge, die von verschiedenen DNA-Matrizen synthetisiert wurden, können miteinander interagieren und Basenpaarungen bilden.
    Intramolekulare Basenpaarung: Ein einzelner RNA-Strang kann sich selbst falten und mit sich selbst Basenpaarungen bilden.

    Abb.24: doppelsträngige RNA (dsRNA)

    Für die Entfernung solcher Nebenprodukte werden spezifische Reinigungsschritte (siehe Abschnitt 3.5.2.) angewendet.

    3.4. RNA-Prozessierung

    RNA-Prozessierung umfasst eine Reihe von Veränderungen, die nach der Transkription stattfinden, um aus der RNA (prä-mRNA) eine reife, funktionale mRNA zu erzeugen.

    Bei der Herstellung der mRNA für Impfstoffe wird versucht, die natürlichen Prozesse der Transkription und post-transkriptionellen Modifikationen nachzuahmen, die normalerweise auch in Zellen bei Eukaryoten (wie Menschen) stattfinden. Die synthetisch hergestellte mRNA wird so gestaltet, dass sie bestimmte Eigenschaften von natürlich vorkommender mRNA imitiert.

    Abb.25: prä-mRNA

    Eine funktionelle mRNA, die als Impfstoff dient, muss den Aufbau einer normalen zellulären mRNA aufweisen, einschließlich einer speziellen Schutzkappe am 5′-Ende und einem Stabilisierungsschwanz am 3′-Ende. Diese Modifikationen sind wichtig für die Stabilität der mRNA und ihre effiziente Übersetzung in Proteine.

    Daher umfassen die Modifikationen der prä-mRNA das Hinzufügen der Schutzkappe (mRNA-Kapping) und des Stabilisierungsschwanzes (Polyadenylierung).

    mRNA-Kapping: Das mRNA-Kapping erfolgt während der Transkription, während die RNA-Polymerase den DNA-Strang abliest und die mRNA synthetisiert. Sobald die mRNA ein kurzes Stück synthetisiert hat, wird die Schutzkappe, bestehend aus 7-Methylguanosin, am 5′-Ende der mRNA hinzugefügt. Diese Modifikation schützt die mRNA vor dem Abbau durch nukleolytische Enzyme.

    Polyadenylierung: Die Polyadenylierung erfolgt kurz nach der Transkription, indem eine lange Kette von Adenin-Nukleotiden an das 3′-Ende der mRNA gebunden wird. Dieser Poly-A-Schwanz erhöht die Stabilität der reifen mRNA und schützt sie vor dem Abbau. Der Poly-A-Schwanz kann mehrere hundert Nukleotide lang sein. Wie oft eine mRNA abgelesen wird, ist durch den Poly-A-Schwanz reguliert, da er sich bei der Translation (dem Prozess, bei dem anhand der mRNA-Vorlage das Protein hergestellt wird) kontinuierlich verkürzt. Dies erfolgt so lange, bis der Poly-A-Schwanz vollständig entfernt ist und es zum Abbau der mRNA kommt.

    Abb.26: reife mRNA

    3.5. Reinigung der synthetischen mRNA

    3.5.1. Reinigung der synthetischen mRNA im Prozess 1
    3.5.2. Reinigung der synthetischen mRNA im Prozess 2
    3.5.1. Reinigung der synthetischen mRNA im Prozess 1

    Die Reinigung von PCR-Produkten und in-vitro transkribierter RNA ist ein wichtiger Schritt, um Verunreinigungen wie nicht eingebaute Nukleotide, DNA-Matrizen und Enzyme zu entfernen.

    Für die Reinigung stehen mehrere Methoden zur Verfügung. Aus den Informationen zum Herstellungsverfahren laut EMA „EPAR zum Covid-19-Impfstoff von BioNTech/Pfizer“ (in Abschnitt 2.2. auf Seite 32) kommt bei ‚Prozess 1‘ die Reinigung  mittels Magnetkügelchen zum Einsatz.

    Magnetkügelchen-Reinigung

    Für die Reinigung von mRNA werden magnetische Kügelchen in der Regel so hergestellt, dass sie selektiv an RNA binden. Das kann durch die Verwendung von speziellen Sonden erreicht werden, die an die Kugeloberfläche gebunden sind. Diese Sonden bestehen aus einer Sequenz von Thyminen (T), die komplementär zu den Adeninen (A) im Poly-A-Schwanz der mRNA sind (siehe Abb.27).

    Abb.27: Poly(A)-RNA-Moleküle binden an Poly(T)-Magnetkügelchen

    Der Reinigungsprozess läuft dann folgendermaßen ab (siehe Abb.28).

    (a) Die Magnetkügelchen, beschichtet mit spezifischen Thymin-Molekülen, werden zur Impfstofflösung hinzugefügt, die die gewünschte mRNA enthält. (b) Die Moleküle auf den Magnetkügelchen haben eine Affinität zu den Zielmolekülen der mRNA, den Adeninen am Poly-A-Schwanz, und binden selektiv an diese. (c) Nachdem die Magnetkügelchen die Zielmoleküle gebunden haben, wird ein Magnetfeld angelegt. Die Magnetkügelchen mit den gebundenen mRNAs werden vom Magnet angezogen und an einen bestimmten Bereich des Gefäßes gezogen. (d) Mehrere Waschschritte werden durchgeführt, um nicht gebundene Verunreinigungen zu entfernen, wobei frische Pufferlösung hinzugefügt wird. Eine Pufferlösung ist eine Flüssigkeit, die dafür sorgt, dass die Bedingungen der Zielmoleküle und den Magnetkügelchen genau richtig sind, damit sie miteinander arbeiten können. Gleichzeitig hilft sie dabei, den pH-Wert der Flüssigkeit stabil zu halten, sodass alles gut funktioniert. (e) Um die gebundene mRNA von den Magnetkügelchen zu trennen, wird eine spezielle Lösung, ein Elutionspuffer, hinzugefügt. Die Bedingungen im Elutionspuffer führen dazu, dass die Magnetkügelchen die gebundenen mRNAs freisetzen. Die freigesetzten mRNAs können nun in einer konzentrierten Form für nachfolgende Verarbeitungsschritte verwendet werden.

    Abb.28: Reinigung mithilfe von Magnetkügelchen

    Weitere ausführliche Informationen zur Magnetkügelchen-Reinigung findet man hier und hier.

    Nach den offiziellen Angaben wird die Reinigung mittels Magnetkügelchen nur im Rahmen von ‚Prozess 1‘ durchgeführt. Mit der Umstellung auf die Großserienproduktion (Prozess 2) ändert sich auch das Reinigungsverfahren. Diese Änderung könnte mit der Magnetkraft zusammenhängen, die eine entscheidende Rolle für eine präzise Trennung bei großen Volumina spielt. Es wird darauf hingewiesen, dass einfache Magnete als begrenzt angesehen werden, da ihre Magnetkraft mit zunehmender Entfernung schnell abnimmt. [sepmag]

    3.5.2. Reinigung der synthetischen mRNA im Prozess 2

    Während der Herstellung der mRNA durch Plasmide und der in-vitro-Transkription werden verschiedene Verunreinigungen eingeführt oder erzeugt. [ScienceDirect]

    Daher ist es im Anschluss erforderlich, die Impfstofflösung mit der gewünschten mRNA von potenziellen Verunreinigungen und anderen Materialien zu reinigen. Zu den potenziellen Verunreinigungen gehören Überreste des DNA-Templates, doppelsträngige RNA, DNA-RNA-Hybride, Endotoxine, überschüssige RNA-Polymerase und grundlegende Verunreinigungen. [securecell]

    Endotoxine: Endotoxine sind toxische Bestandteile von Bakterien, genauer gesagt von gramnegativen Bakterien wie dem Bakterium Escherichia coli (E. coli). Diese Endotoxine sind Bestandteile der äußeren Membran von Bakterien und können starke immunologische Reaktionen im Organismus hervorrufen.

    DNA-Templates: Die DNA-Templates (SARS-CoV-2-Spike-Sequenz) werden während der Transkription abgelesen und dienen als Matrize (Vorlage) für die RNA-Synthese. Die Überreste dieser DNA-Templates sind in der Impflösung noch vorhanden und müssen daher sorgfältig entfernt werden, um Reinheit und Sicherheit zu gewährleisten.

    Doppelsträngige RNA (dsRNA): Während des Transkriptionsprozesses kann es vorkommen, dass doppelsträngige RNA (dsRNA) als Zwischenprodukt entsteht. [PubMed]
    Eine doppelsträngige RNA wird als immunogen betrachtet, weil sie in vielen Organismen, einschließlich Säugetieren, als potenzieller Indikator für eine Virusinfektion erkannt wird. Es gibt verschiedene Arten von Rezeptoren, die doppelsträngige RNA als fremd erkennen und eine Immunantwort auslösen können.

    DNA-RNA-Hybride: Während des Transkriptionsprozesses kann es zu Hybridisierung zwischen dem DNA-Template und der neu synthetisierten RNA kommen. Die RNA kann sich teilweise an die DNA binden und so einen DNA-RNA-Hybrid bilden. Wenn solche Hybride in der Impfstofflösung verbleiben, könnten sie möglicherweise unerwünschte immunologische Reaktionen oder andere unvorhergesehene Effekte auslösen.

    RNA-Polymerase: Überschüssige RNA-Polymerase, das Enzym, das die Transkription durchführt, kann eine potenzielle Verunreinigung darstellen. Eine Überexpression oder unvollständige Entfernung dieses Enzyms könnte zu unerwünschten Effekten führen. (Enzyme gehören zu den Proteinen.)

    Grundlegende Verunreinigungen: Dieser Begriff bezieht sich auf Verunreinigungen, die während der verschiedenen Herstellungsschritte hinzugefügt werden können. Dazu gehören Puffer, Enzyme, Proteine oder andere chemische Substanzen, die während des Herstellungsprozesses verwendet werden.

    Es stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, um die transkribierte mRNA zu reinigen. Laut den Angaben der Europäischen Arzneimittel-Agentur (EMA) „EPAR zum Covid-19-Impfstoff von BioNTech/Pfizer“ (Abschnitt 2.2, Seite 32) werden im Rahmen des Herstellungsverfahrens von ‚Prozess 2‘ der Proteinase-K-Aufschluss und UFDF-Schritte angewendet. Ein weiterer Reinigungsschritt, der in dem EMA Dokument (auf Seite 17 und 40) aufgeführt wird, ist die DNase I.

    Darüber hinaus erwähnen führende Biotechnologieunternehmen wie MERCK und SARTORIUS die Chromatographie als einen weiteren Reinigungsschritt bei der Produktion von mRNA-Impfstoffen.

    Die offiziellen Dokumente geben keine detaillierten Einblicke in die genauen Schritte der Reinigung während des gesamten Herstellungsprozesses der aktuellen COVID-19 mRNA-Impfstoffe. Da das Hauptziel dieses Artikels darin besteht, grundlegendes Wissen auf diesem Gebiet allgemein verständlich zu vermitteln, werden im folgenden Abschnitt nur beispielhaft Reinigungsschritte an einem bestimmten Punkt des Prozesses beschrieben. Es ist wichtig zu beachten, dass die genaue Zusammensetzung und die Reihenfolge der Reinigungsschritte unter realen Produktionsbedingungen variieren können und oft viel komplexer sind. [QdB] Weitere vertiefende Informationen zu diesem Thema sind in den Veröffentlichungen von MERCK (Herstellungsstrategien für mRNA-Impfstoffe und Therapeutika) und SARTORIUS (Overview of Sartorius Solutions serving mRNA Processing, Seite 7) zu finden.

    Im weiteren Verlauf betrachten wir folgende Reinigungsschritte:

    a) DNase I – Behandlung
    b) Proteinase K – Behandlung
    c) UF/DF-Schritte
    d) Chromatographie
    a) DNase I-Behandlung

    DNasen sind Enzyme, die in der Lage sind, DNA zu zerschneiden. In diesem Kontext wird auch von ‚Spalten‘ und ‚Verdauen‘ der DNA gesprochen. DNasen wirken wie winzige Scheren und schneiden die DNA in kleinere Stücke. Es gibt verschiedene Arten von DNasen, die sich darin unterscheiden, ob sie die DNA an bestimmten oder unspezifischen Stellen schneiden können.

    Die DNase I, die oft aus Rinderpankreas gewonnen wird, schneidet die DNA unspezifisch, das heißt, sie kann an verschiedenen Stellen des DNA-Strangs zuschlagen.

    In der Impfstoffherstellung wird DNase I verwendet, um die vorhandene DNA in der Lösung in kleinere Fragmente zu schneiden. Diese kleineren DNA-Fragmente können dann leichter durch nachfolgende Reinigungsschritte entfernt werden.

    Abb.29: Schematische Darstellung der DNase I als Reinigungsschritt

    Die Wirkung der DNase I auf DNA kann je nach den Anwesenheiten von Magnesium-Ionen (Mg2+) und Mangan-Ionen (Mn2+) unterschiedlich sein. Die Art der Ionen beeinflusst die spezifischen Schnittmuster der DNase I, was zu verschiedenen Arten von DNA-Fragmenten führen kann, einschließlich sowohl einzelsträngiger (ssDNA) als auch doppelsträngiger (dsDNA) DNA-Fragmente. [bioswisstec, YEASEN]

    In Gegenwart von Mg2+ schneidet die DNase I die doppelsträngige DNA unabhängig voneinander an zufällig gewählten Stellen. Dies führt zu einzelsträngigen DNA-Fragmenten (ssDNA-Fragmenten).

    In Gegenwart von Mn2+ schneidet die DNase I beide dsDNA-Stränge ungefähr an der gleichen Stelle. Dies kann zur Bildung von doppelsträngigen DNA-Fragmenten (dsDNA-Fragmenten) führen, wenn die geschnittenen Fragmente sich überlappen oder gemeinsame Bereiche haben. Es können auch einzelsträngige DNA-Fragmente (ssDNA-Fragmente) mit überhängenden Enden entstehen.

    Abb.30: Schematische Darstellung der DNase I in Abhängigkeit von Mg und Mn

    Der Pfizer-BioNTech-Zulieferer Thermo Fisher Scientific erörtert in einem Online-Artikel die Wirksamkeit von DNase I. Der Text verdeutlicht, dass die Effektivität von DNase I von verschiedenen Faktoren abhängt, wie beispielsweise der Ausgangs-DNA-Kontamination. Es wird erläutert, dass DNase I in der Lage ist, doppelsträngige DNA (dsDNA) effizient zu spalten, während seine Aktivität für einzelsträngige DNA (ssDNA) um das 500-fache geringer ist. Wenn es um die Aktivität auf RNA-DNA-Hybriden geht, beträgt sie weniger als 1–2 % der Aktivität auf dsDNA. Der Beitrag weist darauf hin, dass es höchstwahrscheinlich schwierig ist, bei der Vorbereitung von RNA-Proben jede einzelne DNA-Molekülkette vollständig zu entfernen.

    b) Proteinase K – Behandlung

    Proteinase K ist ein Enzym, das zur Klasse der Proteinasen gehört. Diese Enzyme haben die Fähigkeit, Proteine zu hydrolysieren, das heißt, sie in kleinere Fragmente wie Peptide oder Aminosäuren zu zerlegen. Die Proteine in der Impfstofflösung können sowohl von bakteriellen Bestandteilen als auch von den während des Herstellungsprozesses verwendeten Hilfsstoffen und Stabilisatoren stammen.

    Der Wirkmechanismus von Proteinase K beginnt mit der Bindung an das Protein. Nach dieser Bindung spaltet Proteinase K die Proteine in kleinere Fragmente auf. Anschließend werden die entstandenen Fragmente aus dem Enzym freigesetzt.

    Abb.31: Schematische Darstellung der Proteinase K als Reinigungsschritt

    Nach der Inaktivierung der Proteinase K erfolgt oft eine Aufreinigung der Impfstofflösung, um die unerwünschten Rückstände zu entfernen. Filtrationsschritte können verwendet werden, um die kleineren Fragmente zu entfernen.

    c) Reinigungsschritt: UF/DF

    Die Abkürzungen ‚UF‘ und ‚DF‘ stehen für ‚Ultrafiltration‘ und ‚Diafiltration‘. Die Ultrafiltration trennt Moleküle basierend auf ihrer Größe, während die Diafiltration hilft, Verunreinigungen weiter zu entfernen und das gewünschte Produkt zu konzentrieren. Zusammen werden sie als UF/DF-Prozess bezeichnet. Die Kombination von Ultrafiltration/Diafiltration (UF/DF) ist eine gängige Methode zur Aufreinigung von biologischen Produkten wie der mRNA.

    Ultrafiltration ist ein Prozess, der eine spezielle Art von Filtration mit einer semipermeablen (halbdurchlässigen) Membran mit definierter Porengröße beinhaltet. Durch diese Membran können Moleküle je nach ihrer Größe getrennt werden. Kleinere Moleküle können die Membran passieren, während größere Moleküle, wie z.B. mRNA, zurückgehalten werden.

    Abb.32: Nur kleinere Moleküle gelangen durch die Membran

    Bei der Diafiltration wird während der Ultrafiltration ständig frischer Puffer (eine spezielle Flüssigkeit oder Impfstofflösung) hinzugefügt. Dies hilft, Verunreinigungen weiter zu verdünnen und beispielsweise die mRNA in einer geeigneten Pufferlösung zu konzentrieren.

    Die vorherrschende Technik für die Ultrafiltration/Diafiltration (UF/DF) ist die Tangentialflussfiltration (TFF). [ROCKER]

    Tangentialflussfiltration

    „Die traditionelle Filtrationsmethode, bekannt als Direktflussfiltration oder Dead-End-Filtration, beinhaltet den vertikalen Fluss der Probe durch die Membran, wodurch kleine Moleküle passieren und abgetrennt werden können. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, dass sich Makromoleküle auf der Membranoberfläche ansammeln und eine Filterkuchenschicht bilden können. Mit zunehmender Filtrationszeit wird die Schicht dicker, was zu einer verringerten Filtrationseffizienz und einer kürzeren Lebensdauer der Membran führt.

    Abb.33: Dead-End-Filtration vs Tangential-Flow-Filtration

    Im Gegensatz dazu bewegt sich der Probenfluss bei der Tangential-Flow-Filtration (Tangentialflussfiltration) horizontal in einem tangentialen Winkel über die Membranoberfläche. Der Probenfluss wird kontinuierlich gefiltert und spült während der Zirkulation die Membranoberfläche, wodurch die Ansammlung von Makromolekülen verhindert und die durch verringerte Flussraten verursachte Konzentrationspolarisierung verringert wird. Dies gewährleistet eine stabile Durchflussrate und verlängert effektiv die Lebensdauer der Filtermembran. Die Tangentialflussfiltration bietet zusätzliche Vorteile, da sie gleichzeitig Konzentration und Diafiltration ermöglicht.“ [ROCKER]

    Hier sind einige Begriffserklärungen aus der Zeichnung:

    Retentat: Das Retentat ist das Material, das nach einer Filtration zurückbleibt. In der Impfstoffherstellung repräsentiert das Retentat die gewünschte Substanz, wie die mRNA.

    Permeat: Das Permeat ist das Material, das durch den Filter hindurchgeht. In der Impfstoffherstellung repräsentiert das Permeat die durch den Filter hindurchgelassenen Stoffe, die im Impfstoff unerwünscht sind.

    Abb.34: Kombination von Ultrafiltration/Diafiltration (UF/DF) mit Tangential Flow Filtration (TFF)

    Die Abbildung zeigt den Ablauf einer Ultrafiltration/Diafiltration (UF/DF) mit Tangential Flow Filtration (TFF). Die Impfstofflösung fließt durch die Filteranlage (hier als TFF bezeichnet). Die Ultrafiltration wird eingesetzt, um die mRNA von den Verunreinigungen zu trennen. Dabei werden Membranen mit definierten Porengrößen eingesetzt, die nur Moleküle unterhalb einer bestimmten Größe passieren lassen. Während der Ultrafiltration wird die Diafiltration durchgeführt. Hierbei wird die mRNA mit einem geeigneten Puffer gespült, um die Konzentration unerwünschter Verunreinigungen weiter zu reduzieren und die mRNA in einer geeigneten Pufferlösung zu konzentrieren.

    Das Ergebnis dieses Prozesses sind zwei Produkte. Zum einen das Permeat, das die unerwünschten Substanzen enthält, die aus der Impfstofflösung entfernt werden. Und das Retentat, die die gewünschte mRNA enthält, vermengt mit dem zugefügten Puffer.

    Um den Kreislauf aufrechtzuerhalten, führt eine Pumpe das Retentat zurück in den Behälter zusammen mit verbliebenen Verunreinigungen. Dies ermöglicht, den Prozess zu wiederholen und die Lösung erneut durch den UF/DF-Zyklus zu führen. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis die gewünschte Reinheit und Konzentration der mRNA im Endprodukt erreicht ist.

    In einem Online-Beitrag von MERCK zum Thema „Herstellungsstrategien für mRNA-Impfstoffe und Therapeutika“ wird die Tangential-Flow-Filtration (TFF) als eine Methode zur Aufreinigung diskutiert. Dabei wird darauf hingewiesen, dass bei der Anwendung von TFF kleine DNA-Fragmente an die mRNA hybridisieren können, was zusätzliche Verunreinigungen verursacht. Dieses Risiko kann jedoch vermieden werden, wie im Beitrag erklärt wird, indem das DNA-Template durch Abtrennung entfernt wird.

    MERCK bezieht sich dabei auf ein Patent aus dem Jahr 2014 von Stéphane Bancel, dem CEO von Moderna, das sich mit „Herstellungsverfahren für die Produktion von RNA-Transkripten“ befasst. Darin heißt es:

    [0079] Das linearisierte Plasmid-DNA-Template wird aus der in-vitro-Transkription entfernt, das heißt, die DNA wird von der RNA getrennt. In einer Ausführungsform wird die DNA-Matrize chromatographisch unter Verwendung eines auf Poly-A-Abfang, z.B. Oligo dT, basierenden Affinitätsreinigungsschritts entfernt.

    [0080] Es ist typisch, DNase I zu verwenden, um die DNA-Matrize unmittelbar nach der in vitro-Transkription enzymatisch zu verdauen. Bei den erfindungsgemäßen Verfahren wird keine DNase verwendet. Die Entfernung des gesamten Plasmids wird dem enzymatischen Verdau (DNase) vorgezogen, da somit das Risiko der Hybridisierung von degradierten DNA-Fragmenten mit der transkribierten mRNA verringert wird.

    [0082] Die Methode zur Herstellung einer RNA-Transkription kann zusätzliche Reinigungsschritte nach der In-vitro-Transkription umfassen, zum Beispiel einen Ionenaustauschchromatographieschritt.

    Für eine umfassende Reinigung ist es offensichtlich erforderlich, neben DNase I und TFF auch einen zusätzlichen Chromatographieschritt einzubeziehen.

    d) Chromatographie

    Die Chromatographie ist eine Methode zur Trennung verschiedener Stoffe in einem Gemisch. Ganz allgemein gibt es in diesem Verfahren eine mobile (bewegliche) Phase und eine stationäre (unbewegliche) Phase. Die mobile Phase ist die Stoffmischung, die getrennt werden soll. Sie bewegt sich durch die stationäre Phase. Die Stoffe in der mobilen Phase interagieren mit den Stoffen in der stationären Phase. Durch die Wechselwirkungen bewegen sich die einzelnen Komponenten im Stoffgemisch unterschiedlich schnell oder bleiben stecken. Somit können die verschiedenen Stoffe voneinander getrennt werden.

    In der Abb.35 sind verschiedene Chromatographietechniken wie Umkehrphasen-Ionenpaar, Anionenaustausch- und Affinitätschromatographie dargestellt.

    Abb.35: Vergleich von Umkehrphasen-Ionenpaar-, Anionenaustausch- und Affinitätschromatographie für die mRNA-Aufreinigung. [MERCK]

    Gemäß den Ausführungen von MERCK wird insbesondere die Poly(dT)-Affinitätschromatographie für die Großserienproduktion hervorgehoben. Daher wird im folgenden Schritt das Prinzip der Affinitätschromatographie näher erläutert.

    Poly(dT)-Affinitätschromatographie

    In der Affinitätschromatographie ist die Idee, dass die Moleküle, die interessant sind (wie die mRNA), eine besondere Affinität oder Anziehung zu einem bestimmten Material haben. Die Anziehungskräfte zwischen den (mRNA-)Molekülen (mobile Phase) und dem Material (stationäre Phase) wird genutzt, um die gewünschten Moleküle aus einer Mischung zu isolieren.

    Die mRNA enthält eine spezielle Sequenz, die als Poly(A) bekannt ist (siehe Abb.36). In der Affinitätschromatographie wird eine Säule mit einem Material, das Poly(dT) enthält, verwendet. Poly(dT) ist eine Kette von Nukleotiden, die alle das Basenpaar „Thymidin“ enthalten. Poly(A) ist hingegen eine Kette von Nukleotiden, die alle das Basenpaar „Adenin“ enthalten. Poly(dT) ist das „Gegenstück“ zu Poly(A) – sie ziehen sich gegenseitig an.

    Abb.36: Poly(A) der mRNA bindet an Poly(dT)-Material

    Der Ablauf sieht in etwa so aus: Eine Poly(dT)-Matrix wird in einer Säule platziert. Man kann sich die Säule wie einen zylindrischen Behälter vorstellen, der mit einem speziellen Poly(dT)-Material gefüllt ist.

    Die Impfstofflösung, die die zu reinigende mRNA enthält (siehe Abb.37), a) wird durch die Säule geleitet. b) Die mRNA bindet spezifisch an die Poly(dT)-Matrix, c) während andere Bestandteile ungebunden durchlaufen. Dieser Schritt trennt die mRNA von den anderen Komponenten. d) Die gebundene mRNA kann dann durch bestimmte Änderung der Bedingungen oder Zugabe spezifischer Elutionspuffer von der Säule gelöst und freigesetzt werden.

    Abb.37: Schematische Darstellung der Poly(dT)-Affinitätschromatographie

    Aufgrund der Einschränkung der Poly(dT)-Affinitätschromatographie, welche keine Unterscheidung zwischen doppelsträngiger RNA (dsRNA) und einfachsträngiger RNA (ssRNA) erlaubt und zudem produktbezogene Verunreinigungen wie DNA-Fragmente, die an die mRNA hybridisiert haben, nicht entfernt, empfiehlt MERCK einen weiteren Chromatographieschritt mittels Anionenaustausch.

    Anionenaustausch-Chromatographie

    Die Anionenaustausch-Chromatographie (AEX-Chromatographie) ist eine chromatographische Technik zur Trennung von Molekülen basierend auf ihren unterschiedlichen Ladungen. Dabei werden Unterschiede in der Nettooberflächenladung genutzt.

    In diesem Verfahren wird als stationäre Phase ein positiv geladenes Anionenaustauschharz verwendet, um Moleküle mit negativen Ladungen selektiv zu binden und zu trennen. Diese stationäre Phase besteht üblicherweise aus kleinen Perlen oder Partikeln. Die mobile Phase, in diesem Fall die Impfstofflösung, enthält das Zielmolekül – die mRNA, doppelsträngige RNA (dsRNA) und andere mögliche Verunreinigungen (siehe Abb.38).

    Die Bindung zwischen den negativ geladenen Molekülen und dem Harz hängt von der Stärke der negativen Ladung auf den Molekülen ab. Moleküle mit höherer negativer Ladung binden fester ans Harz, während solche mit niedrigerer negativer Ladung schwächere Wechselwirkungen haben und möglicherweise leichter eluieren (ablösen).

    a) Der Prozess erfolgt in einem Säulenformat, bei dem die Impfstofflösung auf die Säule mit dem positiv geladenen Anionenaustauschharz aufgetragen wird. Negativ geladene Moleküle in der Impfstofflösung binden an das Harz, b) während ungebundene Moleküle weggespült werden.

    Da sowohl mRNA als auch dsRNA aufgrund ihrer Phosphatgruppen negative Ladungen tragen, erfolgt die Trennung aufgrund ihrer unterschiedlichen Strukturen und Affinitäten zum Anionenaustauschharz. Oft bindet dsRNA stärker an das Harz als mRNA.

    Durch Änderung der Pufferbedingungen, wie Erhöhen der Ionenstärke des Elutionspuffers oder Veränderung des pH-Werts, werden die gebundenen RNA-Moleküle schrittweise von der Säule eluiert. Die unterschiedlichen Affinitäten von mRNA und dsRNA zum Anionenaustauschharz führen zu unterschiedlichen Retentionszeiten (Zeit, die ein Molekül für das Passieren der Säule benötigt), wobei c) dsRNA in der Regel stärker ans Harz bindet und d) daher länger gebunden bleibt.

    Abb.38: Schematische Darstellung der Anionenaustausch-Chromatographie

    In dem offiziellen EMA-Dokument für BioNTech gibt es keine expliziten Hinweise über den Einsatz der Chromatographie während des Produktionsprozesses. Im Netz findet man jedoch ein „inoffizielles“ Arbeitsdokument von EMA, bei dem auf Seite 29 die Chromatographie als Reinigungsschritt aufgezählt wird.

    In einem ScienceDirect-Beitrag (Online-Plattform für wissenschaftliche Fachzeitschriften) wird erwähnt, dass Moderna Covid-19 mRNA-Impfstoffe sowohl durch Anionenaustausch als auch durch Poly dT-Affinitätschromatographie vorbereitet und gereinigt hat.

    3.6. Die mRNA wird in Lipid-Nanopartikel verpackt

    Die gereinigte mRNA wird in Lipid-Nanopartikel verpackt. Diese Lipidhüllen schützen die mRNA vor dem Abbau im Körper, fördern ihre Aufnahme in Zellen und ermöglichen die Freisetzung der mRNA im Zellinneren. Die formulierten RNA-Impfstoffe sind nun fertig zur Verabreichung.

    Abb.39: mRNA wird in Lipid-Nanopartikel verpackt

    3.7. Einige Schlussfolgerungen

    Durch die anschauliche Darstellung des Produktionsprozesses in diesem Kapitel wurden nicht nur die strukturellen Schritte beim Herstellungsprozess des mRNA-Impfstoffs näher erläutert, sondern auch die technologischen Herausforderungen grob skizziert, denen die Hersteller gegenüberstehen.

    Wie aus den Unterlagen von MERCK, SARTORIUS und Thermo Fisher Scientific hervorgeht, befindet sich die Forschung und Entwicklung der einzelnen technologischen Schritte noch in einem fortlaufenden Prozess. Die EMA-Dokumente zeigen, dass der Informationsaustausch zwischen den Herstellern und den Zulassungsbehörden hinsichtlich einiger Herstellungsparameter noch nicht abgeschlossen ist. Der kritische Bericht von Kevin McKernan et al. kann in diesen Kontext eingeordnet werden.

    4. Methoden zur Messung von DNA und RNA

    Die Testung der RNA-Konzentration und möglicher Rest-DNA (potenzielle Kontaminationen) ist ein entscheidender Schritt im Produktionsprozess von COVID-19 mRNA-Impfstoffen. Diese Maßnahme ist von essenzieller Bedeutung im Rahmen der Produktüberwachung und Qualitätssicherung, um sicherzustellen, dass die hergestellten Impfstoffe den Anforderungen an Reinheit und Wirksamkeit entsprechen.

    In diesem Kapitel wird ein Überblick über verschiedene Messverfahren vermittelt, die als Nachweisverfahren von RNA und DNA in den mRNA-Impfstoffen dienen, darunter:

    4.1. Fluoreszenz-Assay
    4.1.1. quantitative Polymerase-Kettenreaktion - qPCR
    4.1.2. Fluorometrie mit DNA- oder RNA-Farbstoffen
    4.1.3. Qubit-Fluorometrie
    4.2. Oxford-Nanopore-Technologie
    4.3. UV-Spektroskopie

    Diese Techniken werden eingehender behandelt, um den Lesern ein Verständnis für ihre Funktionsweise, Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten zu vermitteln.

    4.1. Fluoreszenz-Assay

    Ein Fluoreszenz-Assay ist ein biochemischer Test, bei dem Fluoreszenz als Indikator für das Vorhandensein oder die Menge eines spezifischen Zielmoleküls verwendet wird. Dies kann auch die Messung von Nukleinsäuren wie DNA oder RNA umfassen, indem Fluoreszenzsignale durch spezifische Bindung von Fluoreszenzfarbstoffen oder Sonden an die Ziel-Nukleinsäuren erzeugt werden.

    Ein Fluoreszenz-Assay wird unter anderem durch Kriterien bestimmt wie

    • Spezifität (das Zielmolekül selektiv zu erkennen),
    • Empfindlichkeit (auch bei niedriger Konzentration des Zielmoleküls),
    • Stabilität und Reproduzierbarkeit,
    • Robustheit (widerstandsfähig gegenüber kleinen Variationen),
    • Durchführbarkeit,
    • Zeit- und Kosteneffizienz.

    Fluoreszenz-Assay ist ein übergeordneter Begriff, der verschiedene Anwendungen umfasst, darunter die quantitative PCR (qPCR), die Fluorometrie mit DNA- oder RNA-Farbstoffen, die Qubit-Fluorometrie und viele andere Fluoreszenz-basierte Techniken. Diese Methoden nutzen alle das Prinzip der Fluoreszenz, um bestimmte Moleküle zu detektieren, zu quantifizieren oder zu analysieren.

    In der Regel werden die Ergebnisse von Fluoreszenz-Assays wie qPCR, Fluorometrie mit DNA- oder RNA-Farbstoffen und Qubit-Fluorometrie als DNA-Menge pro Volumeneinheit angegeben. Die Einheit ist typischerweise Nanogramm pro Mikroliter (ng/µl), was bedeutet, dass das Ergebnis das Gewicht der DNA pro Volumeneinheit angibt.

    4.1.1. quantitative Polymerase-Kettenreaktion – qPCR

    Die quantitative PCR (qPCR), auch als quantitative Echtzeit-PCR bekannt, ist eine Erweiterung der herkömmlichen PCR-Technik, die es ermöglicht, die Menge einer Zielsequenz in einer Probe zu bestimmen. Die grundlegenden Schritte der qPCR sind identisch mit denen der PCR, wie im vorherigen Abschnitt (3.2.1.) beschrieben.

    In der qPCR wird ein spezieller Farbstoff, der als fluoreszierender Reporter bekannt ist, als eine Art „Lichtsignal“ verwendet, um die Menge der DNA während des PCR-Prozesses zu messen.

    Es gibt zwei verschiedene Strategien in der qPCR, die es ermöglichen, die Menge an DNA zu bestimmen: die a) Farbstoff-basierte und die b) Sonden-basierte qPCR.

    a) Farbstoff-basierte qPCR

    In der Analyse wird der zu untersuchenden Probe eine Mischung aus Nukleotiden, einem Primerpaar (‚forward‘ [vorwärts] und ‚reverse‘ [rückwärts]), einer DNA-Polymerase und einem Fluorophor-Farbstoff zugesetzt. SYBR Green ist ein Farbstoff, der häufig in der quantitativen PCR (qPCR) verwendet wird, um DNA zu quantifizieren.

    1) Der erste Schritt ist die Denaturierung, bei der die doppelsträngige DNA durch Erhitzen auf etwa 95 Grad Celsius in zwei Einzelstränge aufgespalten wird. 2) In einem nachfolgenden Schritt binden die Primer bei abgesenkter Temperatur an spezifische Regionen der DNA-Zielsequenz. 3) Unter Mitwirkung der DNA-Polymerase erfolgt dann im dritten Schritt die Synthese eines neuen DNA-Strangs. Der Farbstoff bindet an die neu synthetisierte doppelsträngige DNA und erzeugt Fluoreszenz. Diese Fluoreszenz wird in jedem PCR-Zyklus gemessen. In der Regel werden 35-40 Zyklen durchlaufen. Durch die Amplifikation der DNA-Zielsequenz entstehen mehr Bindungsstellen für den Farbstoff, wodurch die Zunahme der Fluoreszenz direkt mit der Menge der vorhandenen doppelsträngigen DNA korreliert.

    Abb.40: Farbstoff-basierte qPCR (schematische Darstellung)

    Die Primer sind entscheidend: Die Amplifikation in der Farbstoff-basierten qPCR erfordert die Verwendung von spezifisch designten Primern. Diese Primer binden gezielt an spezifische Sequenzen auf den einzelnen Strängen der Ziel-DNA. Erst durch die Primerbindung startet die DNA-Synthese.

    Mit der Farbstoff-basierten Methode kann jeweils nur eine DNA-Zielsequenz erfasst werden. Da lediglich ein spezifisches Primerpaar benötigt wird, macht es diese Methode zu einer schnellen und kostengünstigen Option.  

    Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass sich der Farbstoff nicht ausschließlich an die Zielsequenz bindet, was zu einer ungenauen Messung führen kann. Um sicherzustellen, dass nur die beabsichtigte DNA-Sequenz während der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) amplifiziert wurde, wird nach jedem Experiment üblicherweise eine Schmelz-Kurve erstellt. Diese Kurve ist wichtig, weil jede DNA-Sequenz ihren eigenen charakteristischen Schmelzpunkt hat. Ein spezifischer und erwarteter Verlauf der Schmelz-Kurve, deutet darauf hin, dass die Amplifikation erfolgreich und spezifisch war.

    b) Sonden-basierte qPCR

    In der Analyse wird der zu untersuchenden Probe eine Mischung aus Nukleotiden, einem Primerpaar und einer DNA-Polymerase zugesetzt. Darüber hinaus wird eine Sonde hinzugefügt, die mit einem Fluorophor (fluoreszierender Farbstoff) und einem Quencher (löscht das Fluoreszenzsignal) markiert ist (siehe Abb.41). Solange die Sonde intakt ist und nicht abgebaut wird, wird das Fluoreszenzsignal aufgrund der räumlichen Nähe zum Quencher unterdrückt.

    1) Der erste Schritt ist die Denaturierung, bei der die doppelsträngige DNA durch Erhitzen auf etwa 95 Grad Celsius in zwei Einzelstränge aufgespalten wird. 2) In einem nachfolgenden Schritt binden sowohl die Primer wie auch die spezifische Sonde bei abgesenkter Temperatur an spezifische Regionen der DNA-Zielsequenz. 3) Unter Mitwirkung der DNA-Polymerase erfolgt dann im dritten Schritt die Synthese eines neuen DNA-Strangs. Während der DNA-Synthese durch die DNA-Polymerase wird die Sonde abgebaut, was zur Trennung des Fluorophors vom Quencher führt und das Fluoreszenzsignal freisetzt. In der qPCR wird die Menge der fluoreszierenden Signale, die während der DNA-Synthese entstehen, in Echtzeit gemessen.

    Abb.41: Sonden-basierte qPCR (schematische Darstellung)

    Die Zunahme dieser Lichtsignale erfolgt in direktem Verhältnis zur Menge der DNA, die während jeder Runde der PCR vervielfältigt wird. Mit anderen Worten, die gemessene Fluoreszenz ist proportional zur Menge der DNA in der Probe.

    Sowohl Primer als auch Sonden sind entscheidend: Die Primer binden gezielt an spezifische Sequenzen auf den einzelnen Strängen der Ziel-DNA. Erst durch die Primerbindung startet die DNA-Synthese. Die Sonden dienen als zusätzliches Werkzeug zur Erkennung und Quantifizierung der Ziel-DNA. Die Sonden in der qPCR sind so konzipiert, dass sie spezifisch an eine bestimmte DNA-Sequenz binden können. Diese Sequenz wird so ausgewählt, dass sie eindeutig und charakteristisch für das gesuchte DNA-Fragment ist. Die Sonden binden nur an die Ziel-DNA, wenn die Sequenz in der Probe vorhanden ist. Dies ermöglicht es, gezielt nach einer bestimmten DNA-Sequenz zu suchen und deren Menge zu quantifizieren. Daher ist die Messung in der Sonden-basierten qPCR tendenziell genauer und spezifischer im Vergleich zur Farbstoff-basierten qPCR.

    Detaillierte Informationen zur Funktionsweise der beiden qPCR-Methoden sind hier zu finden.

    Die qPCR kann auch zur Quantifizierung von RNA verwendet werden.

    Hierzu ist ein zusätzlicher Schritt erforderlich, das Umschreiben der RNA in komplementäre DNA (cDNA). Dieser Schritt wird als Reverse Transkription (RT) bezeichnet, und daher nennt man die Anwendung von qPCR auf RNA RT-qPCR oder Reverse-Transkriptase-qPCR. Diese cDNA dient dann als Vorlage für die PCR-Amplifikation. Die qPCR wird dann wie oben beschrieben durchgeführt, um die Menge an spezifischer RNA in einer Probe zu bestimmen.

    c) Beschränkungen der qPCR

    In der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) hängt die effiziente Amplifikation von DNA von ihrer spezifischen Länge ab. Es ist bekannt, dass bei der quantitativen PCR (qPCR) Amplikone (amplifizierte DNA-Fragmente) von mehr als 100 bp (Basenpaaren) bevorzugt werden. Ein Basenpaar bezeichnet die Bindung zwischen zwei Nukleotiden (Adenin-Thymin und Cytosin-Guanin) innerhalb der DNA.

    Grund dafür ist, dass längere Amplikone eine stabilere Amplifikation ermöglichen und die spezifische Detektion des Zielgens verbessern können. Amplikone mit weniger als 100 bp (Basenpaaren) können weniger spezifisch sein und dazu neigen, unspezifische Produkte zu generieren, was zu Fehlinterpretationen der qPCR-Ergebnisse führen kann.

    4.1.2. Fluorometrie mit DNA- oder RNA-Farbstoffen

    Die fluorometrische Messung von Nukleinsäuren basiert auf der Verwendung von spezifischen Fluoreszenzfarbstoffen, die selektiv an DNA oder RNA binden. Diese Farbstoffe geben nur dann ein Fluoreszenzsignal ab, wenn sie an das Ziel gebunden sind. Die Konzentrationen der Nukleinsäuren werden anhand der Fluoreszenzsignale der Proben gemessen.

    Grundsätzliche Schritte der Fluorometrie zur DNA- und RNA-Quantifizierung:

    Die DNA oder RNA wird aus der Probe extrahiert und anschließend gereinigt. Verunreinigungen wie Proteine, Lipide oder andere chemische Verbindungen können die Bindung der Fluoreszenz-Farbstoffe an die DNA oder RNA stören oder zusätzliche Signale in der Fluorometrie erzeugen, die nicht von den Nukleinsäuren stammen.

    Ein Fluoreszenzfarbstoff wird gezielt ausgewählt, um eine spezifische Bindung an DNA oder RNA zu ermöglichen. Diese Bindung markiert die Nukleinsäuren in der Probe und erleichtert die spätere Quantifizierung ihrer Menge. Die Auswahl des Farbstoffs erfolgt aufgrund seiner Affinität zu bestimmten Strukturen oder Eigenschaften der Nukleinsäuren. Beispiele:

    RiboGreen für RNA: RiboGreen ist darauf ausgelegt, spezifisch an Ribonukleinsäuren (RNA) zu binden. Dieser Farbstoff macht keine Unterscheidung zwischen verschiedenen Arten von RNA, sondern eher zwischen RNA und DNA im Allgemeinen.

    PicoGreen für DNA: PicoGreen zeigt eine hohe Sensitivität gegenüber DNA. Dieser Farbstoff macht keine Unterscheidung zwischen verschiedenen Arten von DNA, sondern eher zwischen DNA und RNA im Allgemeinen.

    1) Nachdem die spezifischen Farbstoffe zur Probe hinzugefügt wurden, erfolgt die Interaktion mit den Nukleinsäuren (DNA oder RNA). 2) Der Farbstoff bindet an die Ziel-Nukleinsäuren in einer spezifischen Weise. Diese Bindung führt zur Freisetzung von Fluoreszenz, wodurch die markierten Nukleinsäuren lichtemittierend werden. 3) Die Probe wird in den Fluorometer geladen, ein Gerät, das für die Fluoreszenzmessung ausgelegt ist. Das Fluorometer regt die Farbstoffe in der Probe mit Licht einer bestimmten Wellenlänge (λex) an. Der Fluoreszenzfarbstoff absorbiert dieses Licht und emittiert Licht mit einer längeren Wellenlänge (λem). Die emittierte Fluoreszenz wird gemessen und die Intensität des Signals wird registriert.

    Abb.42: Fluorometrie mit DNA-Farbstoffen (schematische Darstellung)

    Um genaue Ergebnisse zu gewährleisten, werden Kontrollen durchgeführt, um sicherzustellen, dass die gemessene Fluoreszenz ausschließlich von der Ziel-Nukleinsäure stammt. Zur Quantifizierung wird oft im Vorfeld eine Standardkurve erstellt. Die Konzentration der DNA oder RNA in der Probe wird dann anhand dieser Standardkurve berechnet.

    4.1.3. Qubit-Fluorometrie

    Die Qubit-Fluorometrie ist eine spezielle Form der Fluorometrie, die in der quantitativen Analyse von Nukleinsäuren, insbesondere DNA und RNA, verwendet wird. Sie basiert auf der Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen, die spezifisch mit Nukleinsäuren interagieren und ein Fluoreszenzsignal abgeben, wenn sie gebunden sind.

    Im Gegensatz zu herkömmlichen Fluorometrie-Techniken, die oft auf der Messung von Fluoreszenzintensität beruhen, nutzt die Qubit-Fluorometrie die Messung von Fluoreszenzsignalen, der an Nukleinsäuren gebundenen Farbstoffe. Dies ermöglicht eine hochsensitive und präzise Bestimmung der Konzentration von DNA oder RNA in einer Probe, selbst in sehr niedrigen Konzentrationen.

    DNA-Messung

    Zur Probenvorbereitung wird ein nukleinsäurebindender Fluoreszenzfarbstoff verwendet, der spezifisch an DNA bindet und ein Fluoreszenzsignal emittiert.

    Das Qubit-Fluorometer wird kalibriert, um sicherzustellen, dass es korrekt auf die Fluoreszenzsignale der DNA-Farbstoff-Lösung reagiert und genaue Messungen durchführt. Eine Reihe von Standardproben mit bekannten Konzentrationen an DNA wird vorbereitet. Diese Proben werden verwendet, um eine Standardkurve zu erstellen, die die Beziehung zwischen der Fluoreszenzintensität und der DNA-Konzentration darstellt.

    1) Die Probe wird mit der DNA-Farbstoff-Lösung gemischt und in das Qubit-Fluorometer geladen. 2) Der Farbstoff bindet an die DNA und gibt ein Fluoreszenzsignal ab. 3) Das Fluorometer misst die Fluoreszenzsignale der Proben und vergleicht sie mit der Standardkurve, um die Konzentration der DNA in den Proben zu bestimmen. Die gemessenen DNA-Konzentrationen werden anhand der Standardkurve berechnet und als Ergebnisse der Qubit-Fluorometrie erhalten.

    Abb.43: Qubit-Fluorometrie (schematische Darstellung)

    Die RNA-Messung erfolgt analog mit einem spezifischen RNA-Farbstoff.

    Qubit-Fluorometrie – eine genauere Methode zur Quantifizierung von DNA oder RNA

    Die Qubit-Fluorometrie wird oft als eine genauere Methode zur Quantifizierung von DNA oder RNA im Vergleich zu anderen Methoden wie der UV-Spektroskopie oder der Gelelektrophorese betrachtet. Der Hauptgrund für die Genauigkeit der Qubit-Fluorometrie liegt in ihrer Fähigkeit, spezifisch und selektiv die Fluoreszenz der Nukleinsäuren zu messen, ohne dass andere Substanzen in der Probe störend wirken. Dies ermöglicht eine präzise Quantifizierung der Nukleinsäuren, auch bei geringen Konzentrationen und in komplexen Proben.

    Obwohl die Qubit-Fluorometrie eine präzise Methode zur Messung der Gesamtmenge an DNA oder RNA in einer Probe ist, kann sie nicht zwischen verschiedenen Sequenzen unterscheiden. Sie misst lediglich die gesamte DNA-Konzentration oder RNA-Konzentration. Wenn spezifische Informationen über die DNA- oder RNA-Sequenz benötigt werden, müssen andere Methoden wie qPCR verwendet werden.

    4.2. Oxford-Nanopore-Technologie

    Die Nanoporen-Sequenzierung ermöglicht eine Echtzeitanalyse langer DNA- oder RNA-Fragmente.

    Nanoporen sind winzige Öffnungen, die nur wenige Nanometer groß sind. Sie sind in eine Membran eingebettet, die aus einem leitfähigen Material besteht. Diese spezielle Membran ist in einem Chip platziert.

    Abb.44: Nanoporen in leitfähiger Membran auf einem Chip (schematische Darstellung)

    Die DNA- oder RNA-Probe wird zunächst in kleinere Stücke fragmentiert. Diese Fragmentierung erleichtert den Transport der Moleküle durch die Nanoporen. Die fragmentierte DNA oder RNA wird dann in eine Flüssigkeit gegeben, die als Elektrolytlösung bezeichnet wird. Diese Flüssigkeit enthält gelöste Salze und ermöglicht es den geladenen Molekülen, sich frei zu bewegen. Die Elektrolytlösung wird in Kontakt mit den Nanoporen gebracht, um den Sequenzierungsprozess zu starten.

    Eine konstante elektrische Spannung wird angelegt, um einen Ionenstrom durch die Nanoporen zu erzeugen. Dies bewirkt, dass die geladenen DNA- oder RNA-Moleküle zu den Nanoporen wandern und durch sie hindurch passieren (siehe Abb. 45).

    Die Helicase, ein Enzym, bindet sich an die Doppelstränge der DNA, trennt und wickelt sie in einzelsträngige Formen auf, um sie für den Transport durch die Nanopore vorzubereiten. Für die RNA, die bereits einzelsträngig ist, ist die Aktion der Helicase nicht erforderlich.

    Abb.45: Oxford-Nanopore-Technologie (schematische Darstellung)

    Das Motorprotein, das Teil der Helicase ist, schiebt dann die einzelsträngige DNA oder RNA durch die Nanopore. Während die DNA oder RNA durch die Nanopore wandert, verändert sie den elektrischen Strom, der durch die Pore fließt. Diese elektrische Signatur hängt von der Sequenz der DNA ab, die gerade durch die Pore passiert. Jede Base in der DNA (Adenin, Cytosin, Thymin oder Guanin) hat eine charakteristische Wirkung. Diese Änderung des Stroms wird dann als Änderung der elektrischen Spannung wahrgenommen, die an der Nanopore gemessen wird. Eine Software berechnet aus der Spannungsveränderung die Sequenz der DNA.

    Das Ergebnis der Oxford-Nanopore-Technologie ist die Sequenz der untersuchten DNA- oder RNA-Probe. Diese Sequenz kann Informationen über die genetische Zusammensetzung, Länge oder andere wichtige genetische Merkmale liefern.

    Zur besseren Veranschaulichung der Nanoporen-Sequenzierung wird dieses Video empfohlen.

    4.3. UV-Spektroskopie

    Die UV-Spektroskopie ist eine gängige Technik zur Analyse von Nukleinsäuren, die verwendet wird, um die Konzentration von DNA oder RNA in einer Probe zu bestimmen. Das Prinzip basiert auf der Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Nukleinsäuren, insbesondere im UV-Bereich, was zu charakteristischen Absorptionsmustern führt. Im folgenden Abschnitt wird die Anwendung dieser Technik auf RNA erläutert.

    In der UV-Spektroskopie kommen spezielle Geräte zum Einsatz, bekannt als UV/VIS-Spektrophotometer. Diese umfassen eine Strahlungsquelle, einen Monochromator, der aus einem Prisma und einer Blende besteht, sowie einen Detektor. Die zu untersuchende RNA wird auf einen transparenten Probenträger gegeben, der UV-Licht durchlässt. Während der Messung wird die Probe zwischen dem Monochromator und dem Detektor platziert. Der Monochromator sorgt dafür, dass nur Strahlung einer bestimmten Wellenlänge auf die Probe trifft. RNA-Moleküle absorbieren UV-Licht bei bestimmten Wellenlängen, insbesondere im Bereich von etwa 240 bis 300 nm (Nanometer), aufgrund der Anwesenheit von den Basen wie Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil.

    Abb.46: UV-Spektroskopie (schematische Darstellung)

    Die RNA-Lösung wird bestrahlt und absorbiert einen Teil des Lichts, wodurch die Strahlung abgeschwächt wird. Je mehr RNA enthalten ist, desto höher ist die Absorption.

    Die Absorption des UV-Lichts durch die RNA-Moleküle führt zu einem charakteristischen Absorptionsmuster. Durch die Messung der Absorption bei verschiedenen Wellenlängen kann die UV-Spektroskopie Informationen über die Konzentration der RNA in der Probe sowie über deren Reinheit und Struktur liefern.

    Detaillierte Informationen zu diesem Thema gibt es hier.

    Obwohl die UV-Spektroskopie eine äußerst nützliche Technik zur Analyse von Nukleinsäuren ist, hat sie auch einige Nachteile, wie zum Beispiel eine Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen. Um genaue Messergebnisse zu erhalten, erfordert die UV-Spektroskopie eine hohe Reinheit der Proben.

    Wenn eine Probe sowohl RNA als auch DNA enthält, kann dies die Messergebnisse der UV-Spektroskopie beeinflussen. Da sowohl RNA als auch DNA UV-Licht absorbieren, kann die Anwesenheit von DNA in der Probe zu einer Überschätzung der gemessenen RNA-Konzentration führen. Dies liegt daran, dass das UV-Signal nicht nur von der RNA, sondern auch von der DNA stammt, was zu einem erhöhten Absorptionswert führt.

    5. Messergebnisse und deren Auswertung

    Die detaillierte Darstellung der grundlegenden Produktionsschritte bei der Herstellung und Qualitätssicherung von mRNA-Impfstoffen in den Kapiteln 3 und 4 legt den Grundstein für ein tieferes Verständnis der Analyseergebnisse der unabhängigen Labore und den daraus resultierenden Diskussionen.

    5.1. Richtlinien zur Begrenzung von Rest-DNA in Impfstoffen
    5.2. Die Messmethoden von Pfizer
    5.3. DNA-Fragmente in C19 mRNA-Impfstoffen entdeckt
    5.3.1. Messmethoden und Messergebnisse der Studie
    5.3.2. Ein unerwarteter Fund: SV-40-Promotor-Enhancer
    5.3.3. Größenprofil der Rest-DNA
    5.4. Reproduktion der Studienergebnisse
    5.4.1. Dr. Phillip Buckhaults
    5.4.2. Dr. Jürgen O. Kirchner und Prof. Dr. Brigitte König
    5.5. Kurze Zusammenfassung

    5.1. Richtlinien zur Begrenzung von Rest-DNA in Impfstoffen

    Derzeit empfiehlt die US-amerikanische FDA den Herstellern von Virusimpfstoffen, die Menge an Rest-DNA im Endprodukt bei parenteralen Impfungen auf unter 10 ng/Dosis und die Größe der DNA auf unter die Größe eines funktionellen Gens oder ~200 Basenpaare zu begrenzen.[1] Dies steht auch im Einklang mit den Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO). [2,3] Frühere DNA-Restwerte wurden 1985 von der FDA auf 10 pg/Dosis festgelegt (10 pg = 0,01 ng). Eine Studiengruppe der WHO kam 1986 zu dem Schluss, dass das Risiko bis zu 100 pg/Dosis vernachlässigbar ist, und 1996 erhöhte die WHO die Werte weiter auf bis zu 10 ng pro Dosis. [2] [Studie]

    [1] https://www.fda.gov/media/113760/download
    [2] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17321940/
    [3] https://cdn.who.int/media/docs/default-source/biologicals/documents/trs_978_annex_3.pdf

    5.2. Die Messmethoden von Pfizer

    Zur Gewährleistung der Einhaltung der von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) definierten Grenzwerte während des Produktionsprozesses verwendet Pfizer das quantitative Polymerase-Kettenreaktions (qPCR)-Messverfahren zur Messung des DNA-Restgehalts (siehe Abb.47).

    Die Abbildung zeigt auch, dass der Hersteller die „UV Spectroscopy“ und Fluoreszenz-Assay-Messverfahren zur Bestimmung der RNA-Menge einsetzt. Der Begriff „Fluoreszenz-Assay“ ist ein Überbegriff, der verschiedene Messmethoden umfasst, die auf der Fluoreszenz basieren. Es könnte sich um Fluorometrie mit einem bestimmten Fluoreszenzfarbstoff handeln, da weder qPCR noch Qubit-Fluorometrie im Protokoll explizit genannt werden.

    Der Hersteller verwendet selektiv unterschiedliche Messmethoden zur Bestimmung des RNA-Inhalts und DNA-Inhalts (siehe auch hier, hier und hier).

    Abb.47: EU Official Control – Qualitätskontrolltests [Quelle]

    Es ist wichtig zu beachten, dass die gemessenen Werte für den RNA- und DNA-Inhalt von der verwendeten Messmethode abhängen. Ein höherer gemessener RNA-Gehalt und eine niedrigere Rest-DNA-Menge deuten üblicherweise auf eine höhere Produktqualität hin. Es sei darauf hingewiesen, dass es keine regulatorischen Vorgaben gibt, welche Messverfahren für die Qualitätssicherung verwendet werden sollen.

    5.3. DNA-Fragmente in C19 mRNA-Impfstoffen entdeckt

    In der Studie mit dem Titel „DNA fragments detected in COVID-19 vaccines in Canada“ wurde die RNA-Sequenzierung von Covid-19 mRNA-Impfstoffen durchgeführt. Dr. David Speicher ist der Hauptautor dieser Studie, während Dr. Kevin McKernan als Co-Autor aufgeführt ist. Die Untersuchung ergab DNA-Fragmente, die von den im Herstellungsprozess verwendeten Plasmiden stammen. Alle hier bereitgestellten Informationen stammen aus der von Speicher et al. durchgeführten Studie.

    Untersucht wurden 27 COVID-19-Impfstofffläschchen, die aus Kanada stammen und 12 verschiedenen Chargen von Moderna und Pfizer angehören. Hier eine detaillierte Auflistung:

    Anzahl der Fläschchen pro Impfstofftyp:

    • Pfizer-BioNTech BNT162b2: 8 Fläschchen (ungeöffnet, abgelaufen)
    • Moderna Spikevax mRNA-1273: 16 Fläschchen (ungeöffnet, abgelaufen)
    • Moderna XBB.1.5: 3 Fläschchen (benutzt, nicht abgelaufen)

    Details zu den untersuchten Chargen:

    • 5 Chargen monovalenter Moderna-Impfstoffe für Kinder/Erwachsene
    • 1 Charge bivalenter BA.4/5-Impfstoff für Erwachsene
    • 1 Charge bivalenter Wuhan-BA.1-Impfstoff für Kinder und Erwachsene
    • 1 Charge monovalenter Impfstoff von Moderna XBB.1.5
    • 3 Chargen monovalenter Impfstoffe von Pfizer für Erwachsene
    • 1 Charge bivalenter Wuhan-BA.4/5-Impfstoffe von Pfizer für Erwachsene
    5.3.1. Messmethoden und Messergebnisse der Studie

    Die Studie nutzte etablierte und standardisierte Methoden zur Detektion von DNA und RNA, darunter quantitative Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) und Qubit-Fluorometrie-Techniken, wobei zuvor veröffentlichte Primer- und Sondensequenzen verwendet wurden. Mittels Oxford Nanopore-Sequenzierung wurde die Größenverteilung der DNA-Fragmente bestimmt. Die verwendeten Methoden wurden im Kapitel 4 bereits vorgestellt.

    Die Messergebnisse sind in den folgenden Tabellen dargestellt, wobei jeweils die Spannen der gemessenen Werte angegeben sind. Die Werte in ng/Dosis (Nanogramm pro Dosis) repräsentieren die gemessenen Mengen an DNA pro Impfstoffdosis.

    In der qPCR werden spezifische Primer verwendet, um nur die DNA-Sequenzen zu amplifizieren, die für den Plasmidursprung der Replikation (ori) und die Spike-Sequenzen spezifisch sind. Daher können die Werte für jede Sequenz separat gemessen und quantifiziert werden.

    Bei der Qubit-Fluorometrie hingegen wird die Gesamtmenge der DNA in der Probe gemessen, unabhängig von der spezifischen Sequenz. Daher wird bei der Qubit-Fluorometrie keine Unterscheidung zwischen den einzelnen Sequenzen gemacht, sondern die Gesamtmenge der DNA in der Probe quantifiziert.

    Schlussfolgerung

    Die vorliegenden Daten zeigen, dass in den getesteten mRNA-COVID-19-Impfstoffen Milliarden bis Hunderte von Milliarden DNA-Molekülen pro Dosis vorhanden sind. Unter Verwendung der Qubit-Fluorometrie überschreiten alle geprüften Impfstoffe die von der WHO festgelegten Richtlinien für Rest-DNA von 10 ng/Dosis um das 188- bis 509-fache. Interessanterweise lag der DNA-Restgehalt, der durch die Methode qPCR gemessen wurde, in allen getesteten Produkten jedoch unter diesen Richtlinien. Diese Ergebnisse zeigen, dass es sehr wichtig ist, bei der Interpretation von Richtlinien für die DNA-Menge klar und einheitlich vorzugehen. [Studie]

    An dieser Stelle ist es wichtig festzustellen, dass die gemessenen Daten stark von dem verwendeten Messverfahren abhängen. Damit weist die Studie auf eine derzeit existierende Schwachstelle in den regulatorischen Vorgaben hin, die es ermöglicht, verschiedene Messverfahren gezielt auszuwählen, um gewünschte Messergebnisse zu erhalten (siehe Abb.47).

    Im Patent US10077439B2 von Moderna, verfasst unter anderem von Stéphane Bancel, CEO von Moderna, wird explizit darauf hingewiesen, dass die quantitative Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) die Gesamtmenge an vorhandener DNA unterschätzt.

    [00103] … Quantitative PCR wird häufig zur Messung der Rest-DNA eingesetzt, erkennt jedoch nur die DNA-Moleküle, die beide qPCR-Primer enthalten, und misst daher nicht alle anderen kleineren DNA-Moleküle, die teilweise verdaut sind. …

    Siehe dazu auch Abschnitt 4.1.1.c) Beschränkungen der qPCR. Für mehr Informationen wird der Artikel „Fluorometrie im Detail“ von McKernan empfohlen.

    „Ich denke, das Wichtigste für die Regulierungsbehörden ist, dass es nicht eine einzelne Technologie gibt, die eine Antwort gibt“, sagte McKernan in einem Interview mit REBEL News Canada.

    Das bedeutet, mehrere Messmethoden zur Bestimmung von DNA- und RNA-Werten würde die Zuverlässigkeit der Ergebnisse erhöhen und potenzielle Abweichungen zwischen den Methoden identifizieren. Die Verwendung von mehreren Methoden ermöglicht eine interne Validierung der Ergebnisse und kann helfen, mögliche Fehlerquellen zu erkennen. Beispielsweise könnte die qPCR-Methode verwendet werden, um DNA- und RNA-Werte zu messen, und die Ergebnisse könnten dann mit den Werten verglichen werden, die durch das Qubit-Fluorometrie-Messverfahren erhalten werden. Durch den Vergleich der Ergebnisse aus verschiedenen Methoden können mögliche Unterschiede oder Inkonsistenzen identifiziert werden.

    5.3.2. Ein unerwarteter Fund: SV-40-Promotor-Enhancer

    Speicher et al. fanden SV40-Promotor-Enhancer-ori-Sequenzen und SV40-PolyA-Sequenzen in den Pfizer-Impfstoffen. Siehe dazu auch Tabelle 2 der Studie.

    SV40 steht für Simianes Virus 40, ein Virus, das 1960 in Nierenzellen von Affen entdeckt wurde. Es kann sowohl Affen als auch Menschen infizieren. SV40 ist für seine Verwendung in der biomedizinischen Forschung und als Kontaminant in einigen früheren Chargen von Polio-Impfstoffen bekannt.

    „Es ist nicht das vollständige Simian-Virus 40 (SV40), das vor vielen Jahren in den Polio-Impfstoffen beobachtet wurde.“ [McKernan]

    SV40 enthält bestimmte genetische Abschnitte, die eine wichtige Rolle dabei spielen, wie Gene aktiviert werden. Zu diesen Abschnitten gehören der SV40-Enhancer und der SV40-Promotor.

    Der SV40-Promotor ist wie eine Startsequenz für ein Gen. Wenn ein Gen exprimiert wird (aktiv ist), bedeutet das, dass die genetische Information dieses Gens in ein Protein umgesetzt wird. Der SV40-Promotor ist eine besonders starke Startsequenz, die in der Lage ist, die Expression eines Gens effizient zu initiieren. Stell dir vor, die Genexpression ist wie das Starten eines Motors in einem Auto. Der SV40-Promotor ist wie der Zündschlüssel, der den Motor einschaltet. Wenn der Zündschlüssel gedreht wird, wird der Motor aktiviert und das Auto beginnt zu fahren.

    Der SV40-Enhancer befindet sich in der Nähe des Promotors und kann die Aktivität des Promotors erhöhen. Der SV40-Enhancer kann dann als Turbo-Boost betrachtet werden, der dem Motor zusätzliche Leistung verleiht. Wenn der Turbo-Boost aktiviert wird, beschleunigt das Auto schneller und erreicht eine höhere Geschwindigkeit. Ähnlich verstärkt der SV40-Enhancer die Aktivität des SV40-Promotors und erhöht die Expression des Gens, ähnlich wie der Turbo-Boost die Leistung des Motors steigert.

    McKernan: „Der Pfizer-Vektor, den sie verwenden, hat einen SV40-Promotor. Es handelt sich also um etwas, das die Antibiotikaresistenz fördert, die sich im Rückgrat dieser Vektoren befindet. … Es besteht jedoch immer noch die Sorge, dass, wenn diese DNA in diesen Impfstoffen in hohen Konzentrationen vorhanden ist, dieser Promotor in das Genom integrieren könnte und wenn es sich vor einem Onkogen integriert, könnte dies die Expression eines Onkogens fördern.“

    SV40-Komponenten und die Zulassungsbehörden

    In der unteren Abbildung wird links die Plasmidkarte von Pfizer gezeigt, die mithilfe der Messergebnisse von McKernan rekonstruiert wurde. Auf der rechten Seite ist die Plasmidkarte zu sehen, die Pfizer den Zulassungsunterlagen für die Europäische Arzneimittelagentur (EMA) beigefügt hat. Deutlich ist zu erkennen, dass die SV40-Komponenten in der rechten Plasmidkarte fehlen.

    Abb.48: Plasmidkarte (rechts), die der EMA offengelegt wurde (siehe Figure S.2.3-1. pST4-1525 Plasmid Map) [Powerpoint-Aufzeichnung Massachusetts-Folien, Folie 6]

    Da die Richtlinien der Weltgesundheitsorganisation (WHO) und der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA vorschreiben, dass alle offenen Leserahmen und Promotoren, wie z.B. die SV40-Komponenten, offengelegt werden müssen, hat das Team von McKernan die Behörden mit seinen Messergebnissen konfrontiert. Als Ergebnis bestätigten daraufhin die EMA, die FDA und Health Canada, dass tatsächlich SV40-Komponenten im Plasmid verwendet werden. [Powerpoint-Aufzeichnung Massachusetts-Folien, Folie 17]

    In einer E-Mail an The Epoch Times (Oktober 2023) schreibt Health Canada: „Obwohl die vollständige DNA-Sequenz des Pfizer-Plasmids zum Zeitpunkt der Erstanmeldung bereitgestellt wurde, hat der Sponsor die SV40-Sequenz nicht spezifisch identifiziert.“

    Kurz darauf teilte auch die Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA) The Epoch Times in einer E-Mail mit: „Während im ursprünglichen Antrag auf Marktzulassung für Comirnaty die vollständige DNA-Sequenz des Plasmid-Ausgangsmaterials angegeben wurde, hat der Antragsteller die SV40-Sequenz nicht ausdrücklich hervorgehoben“. … BioNTech habe die Einbeziehung des Verstärkers in seinen Impfstoff nicht hervorgehoben, da „er als nicht funktioneller Teil des Plasmids angesehen wurde. Sie haben diese Informationen seitdem als Antwort auf die von der EMA gestellten Fragen geklärt.“

    Wir erinnern uns, die EMA empfahl Ende 2020 die bedingte Zulassung für den COVID-19-Impfstoff Comirnaty von BioNTech und Pfizer. Erst drei Jahre später haben die Behörden nun die SV40-Sequenz im Comirnaty- Marktzulassungsantrag gefunden.

    Ein Sprecher der EMA erklärte daraufhin, dass die Agentur „bestätigen kann, dass sie keine zuverlässigen Beweise für DNA-Rückstände gesehen haben, die die zugelassenen/sicheren Werte überschreiten“ für die COVID-19 Impfstoffe von Pfizer/BioNTech oder Moderna. Der EMA „sind auch keine wissenschaftlichen Beweise bekannt, die zeigen, dass die sehr geringen Mengen an Rest-DNA, die in Impfstoffchargen vorhanden sein können, in die DNA von geimpften Personen integriert werden könnten.“

    Welche potentiellen Gefahren mit dem DNA-Restgehalt verbunden sind, wird im Kapitel 7 „Sind weitere Untersuchungen notwendig?“ diskutiert.

    5.3.3. Größenprofil der Rest-DNA

    Um die unterschiedlichen Größen oder Längen der Rest-DNA-Moleküle zu erfassen, wurde von Speicher DJ et al. der Impfstoff BNT162b2 mit Oxford Nanopore (ONT) sequenziert (Abb.49).

    Abb.49: Oxford Nanopore Sequencing [Studie, links: Abb.10, rechts: Abb.11]

    Die Sequenzierung ergab eine Gesamtlänge des Plasmids von 7810 bp (Basenpaaren). Wie in der Abbildung (links) zu sehen, ist ein Großteil der Masse der gemessenen DNA-Moleküle klein. Die Analyse ergab eine mittlere DNA-Fragmentlänge von 214 bp.

    „Eines von fünfzig Molekülen war mehr als 1.000 Basen lang.“ [McKernan, Covid-19 Vaccine Expert Panel Briefing to the Massachusetts Legislature and Public Health Officials, 1:29:30]

    Sie fanden auch ein Fragment, das eine Länge von 3,2 kb (Kilobasenpaaren) oder 3200 bp (Basenpaaren) aufwies und die gesamte Rückseite des Plasmids abdeckte (siehe Abb.49 rechts, dargestellt als blaue Vektorregion). In einem Interview erläuterte McKernan, dass dieses 3.200 Basenpaare umfassende Fragment das Gen für die Resistenz gegen die Antibiotika Kanamycin und Neomycin enthielt, einschließlich des entsprechenden SV40-Promotors. Weiter sagte er: „Andere Fragmente ähnlicher Länge umfassten die Sequenz für das Spike-Protein.“

    Gemäß den Richtlinien der Weltgesundheitsorganisation (WHO) wird empfohlen, die Größe der Rest-DNA auf unter die Größe eines funktionellen Gens oder etwa ~200 Basenpaare zu begrenzen.

    5.4. Reproduktion der Studienergebnisse

    5.4.1.  Dr. Phillip Buckhaults

    Die Ergebnisse von McKernan und Speicher wurden von Dr. Phillip Buckhaults, Professor an der University of South Carolina, bestätigt. Dr. Phillip Buckhaults ist ein erfahrener Molekularbiologe und Krebsgenetiker der über umfangreiche Erfahrung mit Next-Gen-Sequenzierungsanwendungen für globale Gene Expressionsanalyse und Erkennung von Genmutationen verfügt. Er präsentierte seine Ergebnisse zur DNA-Kontamination im Zusammenhang mit den mRNA-COVID-19-Impfstoffen bei einer Anhörung im Senat von South Carolina im September 2023. Der Originalbeitrag wurde von YouTube entfernt, ist aber hier und hier noch zu finden.

    Dr. Buckhaults und seine Kollegen identifizierten Fremd-DNA in Chargen von Pfizer-BioNTech (Comirnaty) und Moderna (Spikevax). [@P_J_Buckhaults]

    In der Anhörung beschreibt Dr. Buckhaults seine Untersuchungsergebnisse:

    „Dies ist also ein Bild des Sequenzierungsergebnisses, des Sequenzierungslaufs, den ich im Labor von ein paar Chargen des Pfizer-Impfstoffs durchgeführt habe. Und all diese kleinen Linien hier (Abb.50) sind die winzigen DNA-Stücke, die im Impfstoff enthalten sind. Sie gehören dort nicht hin. Sie sind nicht Teil des Verkaufsgesprächs oder der Marketingkampagne. Und es sind eine Menge davon.“

    Abb.50: Gefundene DNA-Stücke im Pfizer-Impfstoff [Quelle]

    „Dieses kleine Diagramm hier (Abb.51 links) zeigt die Größenverteilung (für den Pfizer-Impfstoff). Die DNA-Stücke, die im Impfstoff enthalten sind, sind kurze, kleine Stücke von 100 bis 120 Basenpaaren. Es gibt einige, die etwa 500 Basenpaare lang sind, einige wenige, die sogar 5.000 Basenpaare lang sind, aber die meisten sind um die 100 Basenpaare lang. Warum ist das wichtig? Weil die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein DNA-Stück in das menschliche Genom integriert, nicht von seiner Größe abhängt. Das Risiko für Ihr Genom hängt nur davon ab, wie viele Teilchen es gibt. … All diese kleinen DNA-Stücke, die in dem Impfstoff enthalten sind … ergeben viele, viele tausend Möglichkeiten, eine Zelle einer geimpften Person zu verändern. Die (DNA-)Stücke sind sehr klein, weil sie während des (Impfstoff-Herstellungs-)Prozesses zerhackt wurden, um sie verschwinden zu lassen, aber sie haben die Gefahr der Genomveränderung erhöht.“

    Abb.51: links) Verteilung der DNA-Stücke im Pfizer-Impfstoff nach Länge; rechts) Replizierte Plasmidkarte aufgrund der Probenanalyse [Quelle]

    „Wir haben also all diese DNA-Stücke genommen und sie dazu benutzt, um sie zusammenzukleben, was die Ausgangs-DNA gewesen sein muss. Das ist sozusagen wieder das, was wir im Labor die ganze Zeit machen, und all diese kleinen roten und grünen Linien hier (Abb.50), das sind alles unabhängige kleine DNA-Stücke. In diesem Sequenzierungslauf müssen es 100.000 DNA-Stücke gewesen sein, und Sie können sie alle wieder zusammensetzen und sehen, woher sie stammen, nämlich von diesem Kreis hier (Abb.51 rechts).“

    „Es handelt sich um ein Plasmid, das Sie online bei Agilent kaufen können. Und es ist klar, dass Pfizer dieses Plasmid genommen hat und und dann Spike hinein geklont hat und es für einen Prozess namens in-vitro-Transkription/Translation verwendet hat, bei dem man eine RNA-Polymerase mit diesem Plasmid füttert und sie eine ganze Reihe von mRNA-Kopien für einen herstellt. Dann nimmt man diese mRNA und mischt sie mit dem Lipid-Nanopartikel-Transkriptionsreagenz, und schon hat man seinen mRNA-Impfstoff, aber die DNA hat man vorher nicht herausbekommen. Sie haben das so gemacht. Diese kleinen Stücke haben sie etwas zerkleinert, so dass alle diese kleinen Plasmastücke mit der RNA verpackt wurden. Es ist völlig klar, was passiert ist, wenn man sich nur die forensische Analyse der DNA-Sequenzierung anschaut.“

    „Wir können die Menge dieses Materials im Labor ziemlich einfach messen. Wir sind gut darin, so etwas zu tun … Wir können genau quantifizieren, wie viel von diesem Zeug in einem Impfstoff oder einem anderen Gewebe ist, und ich schätze, dass in jeder Dosis etwa zwei Milliarden Kopien von dem einen Teil, nach dem wir suchen, enthalten sind. … Aber wenn man 2 Milliarden Kopien von diesem Teil sieht, gibt es etwa 200 Milliarden von allem anderen. Das bedeutet also, dass in jeder Dosis des Impfstoffs wahrscheinlich etwa 200 Milliarden Stücke dieser Plasma-DNA enthalten sind, die in diese Lipid-Nanopartikel eingekapselt sind, damit sie in die Zelle gelangen können. Das ist eine schlechte Idee.“

    5.4.2.  Dr. Jürgen O. Kirchner und Prof. Dr. Brigitte König

    Der deutsche Biologe Dr. Jürgen O. Kirchner warnte schon 2022 vor der Problematik der DNA-Kontamination des BioNTech-Impfstoffs in dem Buch „Die mRNA-Maschine“, dass er unter dem Pseudonym David O. Fischer veröffentlichte. 

    Kirchner ist promovierter Biologe und bringt umfassende Berufserfahrung in der Pharmabranche mit. Er war für verschiedene Pharmaunternehmen tätig und hat sich im Rahmen seiner Aufgaben intensiv mit Studien befasst, die die Wirksamkeit von Medikamenten belegen sollten. In seiner Tätigkeit kümmerte er sich auch um das Marketing für Arzneien und deren Zulassung.

    Dr. Kirchner hat Chargen des BioNTech-Impfstoffs, die nach Deutschland geliefert wurden, zur Untersuchung an das Magdeburger Labor von Prof. Dr. Brigitte König geschickt.

    Frau Prof. Dr. König hat Biologie, Chemie und Medizin studiert, sich im Fach „Medizinische Mikrobiologie und Infektionsimmunologie“ habilitiert und gehört als externe Professorin dem Lehrstuhl der Medizinischen Fakultät an der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg an.

    Aus einem Interview Dr. Kirchners mit The Epoch Times stammen die folgenden Passagen, die Einblicke in seine Erkenntnisse gewähren.

    „Die DNA-Verunreinigungen in den mRNA-Impfstoffen sind ein sehr schwerwiegendes Problem, was zunächst gar nicht so erkennbar war, obwohl in den Berichten der Europäischen Arzneimittel Agentur EMA drin steht, schon frühzeitig im Februar 2021, dass diese Impfstoffe mit DNA verunreinigt sind. Das Ausmaß war nicht bekannt. Das hat ein amerikanischer Wissenschaftler mit seinem Team, Kevin McKernan, herausgefunden und im April dieses Jahres (2023) veröffentlicht.“

    „Daraufhin habe ich ein Labor gefunden und gebeten, deutsche Chargen dieses Impfstoffes zu untersuchen wie es bei uns aussieht. Und die Ergebnisse waren eine Katastrophe – hochgradige Verunreinigungen mit DNA.“

    „Dieser Impfstoff – Sie hatten ja gefragt, woher kommt das – der ist deshalb mit DNA belastet, weil er mit der Hilfe von Bakterien hergestellt wird. Diese Bakterien liefern die DNA-Matrize, über die die mRNA dann gebildet wird, vermehrt wird. Bei den klinischen Studien hat man das ohne Bakterien gemacht, das heißt die Impfstoffe der klinischen Studien waren bei weitem nicht so hoch mit DNA belastet wie die Verkaufsware. Das bedeutet gleichfalls, dass die Gefahr, die von der DNA in den Impfstoffen ausgeht, überhaupt nicht klinisch überprüft worden ist, weil der Impfstoff in den klinischen Prüfungen hatte das nicht. Somit ist diese ganze Thematik ein riesiges schwarzes Loch, von dem keiner weiß, was sich dahinter verbirgt. Und das muss ganz schnell geändert werden.“

    „Geprüft wurden Chargen des Impfstoffs BioNTech. Aktuell verwenden wir die Daten von fünf Chargen, von den wir verschlossene Chargen haben bekommen können. Der Grenzwert der Verunreinigungen ist von der WHO selbst auf 10 ng (Nanogramm) pro Dosis festgelegt worden. Die niedrigste Konzentration, die gefunden wurde in einem Impfstoff, war das 83fache und das höchste das 355fache. … Wir reden hier nicht, da ist der Grenzwert etwas überschritten, sondern hier ist es so, wir haben 3500 statt 10. Das muss man sich einfach mal vor Augen führen.“

    Die Ergebnisse ihrer Analysen sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst.

    Die Resultate wurden am 12. Dezember 2023 in einer MDR-Reportage der breiten Öffentlichkeit präsentiert. Der MDR-Beitrag wurde jedoch kurz darauf aus der MDR-Mediathek entfernt. Unter diesem Link ist der Beitrag weiterhin einsehbar.

    Auf Anfrage von The Epoch-Times, warum der MDR-Beitrag gelöscht wurde, erhielt Epoch-Times von einer MDR-Sprecherin die folgende Antwort: „Der MDR hat am 12.12.2023 um 20.15 Uhr in der Sendung ‚Umschau‘ einen Beitrag zu Corona-Impfstoffen ausgestrahlt. Aufgrund sorgfältiger interner Prüfung steht fest: Dabei wurden unsere publizistischen Sorgfaltskriterien nicht eingehalten. Der Beitrag wurde am 17.12.2023 depubliziert.“ Welche „publizistischen Sorgfaltskriterien“ genau beim Beitrag nicht eingehalten worden sein sollen, teilte der MDR jedoch nicht mit.

    5.5. Kurze Zusammenfassung

    • Die gemessenen Werte für DNA und RNA sind von der spezifischen Messmethode abhängig, die zur Analyse verwendet wird.
    • Es existiert kein einheitlicher Regulierungsstandard seitens der Behörden, der vorschreibt, welche Messverfahren von den Herstellern zur Prüfung von RNA und DNA einer Substanz verwendet werden müssen.
    • Es wurden große Mengen an kleinen DNA-Fragmenten gefunden, die über dem von der WHO empfohlenen Grenzwert 10 ng/Dosis liegen.
    • Es wurden auch vereinzelt sehr lange DNA-Moleküle gefunden, die über den von der WHO empfohlenen Länge von 200 Basenpaaren liegen.
    • Es wurden funktionale Bestandteile des SV40-Virus gefunden, der SV40-Promotor und der SV40-Enhancer.
    • Die Rest-DNA, die möglicherweise bei der Verpackung der mRNA in Lipid-Nanopartikel vorhanden ist, könnte ebenfalls in die Lipid-Nanopartikel verpackt werden. Diese Lipid-Nanopartikel tragen dazu bei, die Stabilität und den Schutz der eingekapselten Nukleinsäuren zu erhöhen, indem sie sie vor dem Abbau durch Enzyme wie Nukleasen schützen, die normalerweise in biologischen Systemen vorhanden sind.

    6. Wissenstand und Reaktionen zur Fremd-DNA von offizieller Seite

    6.1. Die Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA)
    6.1.1. Was ist die EMA und welche Aufgabe hat sie?
    6.1.2. Was wusste die EMA über die DNA-Rückstände?
    6.2. Das Paul-Ehrlich-Institut (PEI)
    6.2.1. Was ist das PEI und welche Aufgabe hat es?
    6.2.2. Fragen an das Paul-Ehrlich-Institut (PEI)
    6.3. Kurze Zusammenfassung

    6.1. Die Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA)

    6.1.1. Was ist die EMA und welche Aufgabe hat sie?

    Die EMA (European Medicines Agency, Europäische Arzneimittel-Agentur) ist eine Agentur der Europäischen Union mit Sitz in Amsterdam, Niederlande. Die EMA wurde gegründet, um einen einheitlichen Zulassungsprozess für Arzneimittel in der gesamten Europäischen Union zu ermöglichen und somit einen schnelleren Zugang zu neuen Medikamenten für die Patienten zu gewährleisten. Hier sind einige der Hauptaufgaben der EMA:

    Zulassung von Arzneimitteln: Die EMA spielt eine zentrale Rolle bei der Bewertung von Anträgen für die Zulassung neuer Arzneimittel in der Europäischen Union. Sie prüft die Qualität, Sicherheit und Wirksamkeit der Arzneimittel, bevor sie auf dem europäischen Markt verfügbar gemacht werden.

    Überwachung der Sicherheit von Arzneimitteln: Die EMA überwacht kontinuierlich die Sicherheit von bereits zugelassenen Arzneimitteln. Dies umfasst die Erfassung von Daten zu Nebenwirkungen und anderen sicherheitsrelevanten Informationen. Bei Bedarf können Maßnahmen ergriffen werden, um die Sicherheit der Patienten zu gewährleisten, wie beispielsweise die Änderung von Packungsbeilagen oder der Widerruf von Zulassungen.

    Qualitätskontrolle: Die EMA überprüft die Qualität von Arzneimitteln und stellt sicher, dass sie den erforderlichen Standards entsprechen. Dies bezieht sich auf die Herstellung, Prüfung und Verpackung von Arzneimitteln.

    6.1.2. Was wusste die EMA über die DNA-Rückstände?

    Im Folgenden eine Überprüfung einiger EMA-Dokumente sowie entsprechende Erläuterungen. Die geschwärzten Bereiche in den Dokumenten wurden von der EMA selbst vorgenommen.

    Ein „Assessment Report“ ist ein Bewertungsbericht, der von der EMA erstellt wird, um die Bewertung eines Arzneimittels durch den Ausschuss für Humanarzneimittel (CHMP) zu dokumentieren. Dieser Bericht enthält eine umfassende Analyse aller verfügbaren Daten. Darüber hinaus kann er auch Empfehlungen und Anforderungen für die weitere Überwachung des Arzneimittels nach der Zulassung enthalten.

    EMA-Dokument vom Februar 2021

    EMA-Dokument 19 Februar 2021

    „Die Robustheit des DNase-Verdauungsschritts gilt nicht als umfassend nachgewiesen, obwohl es eine routinemäßige Kontrolle von Rest-DNA-Verunreinigungen auf Wirkstoffebene gibt. Es wurde bestätigt, dass Studien zur Verbesserung der Robustheit dieses Schrittes durchgeführt werden, über die berichtet werden sollte (REC7).“

    Im Assessment Report der EMA vom Februar 2021 wird festgestellt, dass die Robustheit des DNase-Verdauungsschritts nicht umfassend nachgewiesen wurde, obwohl es eine routinemäßige Kontrolle von residualen DNA-Verunreinigungen auf Ebene des Wirkstoffs gibt. Es wurde bestätigt, dass Studien zur Verbesserung der Robustheit dieses Schrittes im Gange sind und dass diese Studien gemäß der Verpflichtung (REC7) des Inhaber der Marktzulassung (BioNTech) berichtet werden sollen.

    EMA-Dokument vom Mai 2021

    EMA-Dokument May 2021

    „REC7: Der Zulassungsinhaber sollte die Ergebnisse der Studien vorlegen, die zur Verbesserung der Robustheit des DNase-Verdauungsschritts im Wirkstoffherstellungsprozess durchgeführt wurden.“

    In diesem Auszug des EMA-Dokuments bezieht sich „MAH“ auf den „Marketing-Authorisation Holder“, also den Inhaber der Marktzulassung (BioNTech) für das Arzneimittel Cormirnaty.

    Die Passage besagt, dass der MAH eine Verpflichtung zur Erfüllung nach der Zulassung des Arzneimittels übernommen hat, nämlich die Bereitstellung der Ergebnisse von Studien, die durchgeführt wurden, um die Robustheit des DNase-Verdauungsschritts im Herstellungsprozess des Wirkstoffs zu verbessern.

    Um das zu verdeutlichen:

    • Wie im Kapitel 3.5.2. beschrieben, ist DNase ein Enzym, das DNA abbaut.
    • Der Herstellungsprozess des Wirkstoffs bezieht sich auf den Prozess, durch den der eigentliche Wirkstoff des Arzneimittels hergestellt wird.
    • Der DNase-Verdauungsschritt ist ein spezifischer Schritt im Herstellungsprozess, bei dem DNase verwendet wird, um die DNA zu verdauen und zu entfernen. (siehe dazu 3.5.2. Reinigung der synthetischen mRNA im Prozess 2)
    • Die Robustheit dieses Schrittes bezieht sich darauf, wie stabil und zuverlässig dieser Schritt im Herstellungsprozess ist, und wie gut er in verschiedenen Situationen funktioniert.

    Die EMA fordert den MAH auf, die Ergebnisse von Studien bereitzustellen, die durchgeführt wurden, um sicherzustellen, dass dieser spezifische Schritt im Herstellungsprozess des Wirkstoffs zuverlässig und stabil ist. Dies dient dazu, die Qualität und Sicherheit des Arzneimittels zu gewährleisten, insbesondere in Bezug auf potenzielle Verunreinigungen durch DNA-Rückstände.

    EMA-Dokument May 2021

    „Es wird kein detaillierter Bericht über die Studien vorgelegt, die zur Verbesserung der Robustheit des DNase-Aufschlusses durchgeführt wurden.“

    „Es wird erwartet, dass eine detaillierte Zusammenfassung der Ergebnisse der Studien, die zur Verbesserung der Robustheit des DNase-Verdauss durchgeführt wurden, bis Ende des zweiten Quartals 2021 in Modul 3.2.S.2.5 des Dossiers aufgenommen wird.“

    „PAM nicht erfüllt“

    In diesem Abschnitt des EMA-Dokuments wird darauf hingewiesen, dass der MAH keine ausführlichen Berichte über die durchgeführten Studien zur Verbesserung der Robustheit des DNase-Verdauungsschritts vorgelegt hat.

    „PAM“ steht für „Post-Authorisation Measure“, was bedeutet, dass eine Maßnahme nach der Zulassung eines Arzneimittels ergriffen werden muss. In diesem Fall bedeutet „PAM not fulfilled“ also, dass die Maßnahme, die der MAH (BioNTech) bezüglich der Berichterstattung über die Studien zur Verbesserung der DNase-Verdauung durchführen musste, nicht erfüllt wurde.

    Die Passage besagt, dass erwartet wird, dass der MAH eine detaillierte Zusammenfassung der Ergebnisse aus den durchgeführten Studien zur Verbesserung der Robustheit des DNase-Verdauungsschritts bis zum Ende des zweiten Quartals 2021 im Modul 3.2.S.2.5 des Dossiers einreicht.

    EMA-Dokument vom August 2021

    Die Diskussion um die „Verbesserung der Robustheit des DNase-Verdauungsschritts“ wird fortgeführt.

    EMA-Dokument August 2021

    Die Empfehlung Nr. 7 (REC7), die Ergebnisse der zur Verbesserung der Robustheit des DNase-Verdauungsschritts durchgeführten Studien vorzulegen, wurde nur teilweise erfüllt. Zur Erfüllung der Empfehlung Nr. 7 (REC7) sind weitere Maßnahmen erforderlich, darunter die Vorlage einer detaillierten Zusammenfassung der Studienergebnisse und die Aufnahme dieser Daten in Modul 3.2.5.2.5 des Dossiers bis zum Ende des zweiten Quartals 2021.

    Im Anschluss an den während der ACMF PPQ-Kampagne beobachteten Anstieg der Rest-DNA wurden Versuche in kleinem Maßstab eingeleitet, um die Robustheit des DNase I-Verdauungsschritts zu verbessern. Es wurden Studien durchgeführt, um die Auswirkungen von Reaktionskomponenten, Prozess- und Betriebsparametern auf die Menge der Rest-DNA-Matrize besser zu verstehen. Die Studien im kleinen Maßstab sind nicht schlüssig und es werden keine Anpassungen des DNase-Schrittes empfohlen, daher werden die Daten aus diesen Studien nicht bereitgestellt.

    Der Text besagt, dass die Empfehlung Nr. 7 (REC7) bezüglich der Vorlage von Studienergebnissen zur Verbesserung der Robustheit des DNase-Verdauungsschritts nur teilweise erfüllt wurde. Es wird festgestellt, dass weitere Maßnahmen erforderlich sind. Die Antwort von BioNTech auf diese Empfehlung beinhaltet Versuche in kleinem Maßstab, um die Robustheit des DNase I-Verdauungsschritts zu verbessern. Diese Versuche sollen die Auswirkungen verschiedener Faktoren auf die Menge der Rest-DNA besser verstehen helfen. Es wird jedoch festgestellt, dass die durchgeführten Studien nicht schlüssig sind und daher keine Anpassungen am DNase-Schritt empfohlen werden. Als Folge werden die Daten aus diesen Studien nicht bereitgestellt.

    EMA-Dokument August 2021

    Im EMA-Bericht auf Seite 3 wurde der „GMP -Inspection check“ mit „No“ bewertet. Diese Bewertung zeigt an, dass bei einer Inspektion der Good Manufacturing Practice (GMP) Mängel oder Unzulänglichkeiten in Bezug auf die Einhaltung bestimmter Anforderungen oder Standards festgestellt wurden. Das Produkt Cormirnaty war zu diesem Zeitpunkt NICHT GMP konform.

    EMA-Dokument vom März 2022

    EMA-Dokument March 2022

    „REC 7: „Der MAH sollte die Ergebnisse der Studien vorlegen, die zur Verbesserung der Robustheit des DNase-Verdauungsschritts durchgeführt wurden“ ist teilweise erfüllt.“

    EMA-Dokument March 2022

    „Weitere Maßnahmen sind erforderlich, um die Empfehlung 7 zu erfüllen, einschließlich der Vorlage einer detaillierten Zusammenfassung der Studienergebnisse“

    „VAR IB-55: Es werden keine Ergebnisse vorgelegt, da der Antragsteller die Studie im kleinen Maßstab für nicht schlüssig hält und keine Anpassung des DNase-Verdauungsschritts empfohlen wird. Dies wird nicht akzeptiert, und es sollten Daten vorgelegt werden, die belegen, dass keine Änderung erforderlich ist. Darüber hinaus sollte die Korrelation zwischen der DNase-I-Aktivität und dem Gehalt an Rest-DNA-Template, wie er mit den firmeneigenen Methoden gemessen wird, ausreichend bewertet werden.“

    Dieser Abschnitt aus dem EMA-Dokument bezieht sich auf die Überprüfung der Erfüllung bestimmter Verpflichtungen (Recommendation, REC) des Marketing-Authorisation Holders (MAH) im Zusammenhang mit der Herstellung des Arzneimittels „tozinameran“.

    „Tozinameran“ ist der Wirkstoffname für den COVID-19-Impfstoff von Pfizer-BioNTech. Der Impfstoff wird unter dem Markennamen „Comirnaty“ vermarktet. „Tozinameran“ ist der internationale, nicht-proprietäre Name (INN) für den Wirkstoff, der von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) festgelegt wurde. Der Begriff wird verwendet, um den spezifischen Wirkstoff des Impfstoffs unabhängig von Markennamen zu identifizieren.

    Teilweise erfüllt: Es wird festgestellt, dass die Verpflichtung, die Ergebnisse der durchgeführten Studien zur Verbesserung der Robustheit des DNase-Verdauungsschritts vorzulegen, teilweise erfüllt wurde. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass weitere Maßnahmen erforderlich sind, um die Empfehlung 7 (REC 7) vollständig zu erfüllen.

    Besonderheiten zu den einzelnen Variablen (VAR):

    VAR IB-55: Es werden keine Ergebnisse bereitgestellt, da der Antragsteller die Studie als nicht schlüssig betrachtet und keine Anpassung des DNase-Verdauungsschritts empfohlen wird. Dies wird jedoch nicht akzeptiert, und es werden Daten gefordert, um zu belegen, dass keine Änderung erforderlich ist. Darüber hinaus sollte die Korrelation zwischen der DNase I-Aktivität und der Rest-DNA, wie sie mit den firmeneigenen Methoden gemessen werden, ausreichend bewertet werden.

    VAR IB-106-G: Um die Empfehlung 7 (REC7) abzuschließen, sollten Daten von den beiden zusätzlichen Standorten Mainz/Rentschler und Marburg bereitgestellt werden. Abschnitt 3.2.S.2.5 des Dossiers sollte mit Daten zu dem Rest-DNA-Gehalt von allen drei Standorten aktualisiert werden. Darüber hinaus sollte Abschnitt 3.2.S.2.5 um Informationen zur verbesserten Prozesskontrolle aktualisiert werden. Wenn möglich, sollten die geringfügigen Anpassungen in den entsprechenden Akzeptanzkriterien reflektiert werden.

    Insgesamt zeigt das behördliche EMA-Dokument, dass im März 2022 – über ein Jahr nach dem Masseneinsatz des BioNTech-Impfstoffs – dieser Punkt nicht sauber geklärt ist.

    Trotz der Feststellung „Partly Fulfilled“ (teilweise erfüllt) befindet die EMA die vom MAH (BioNTech) vorgeschlagenen Änderungen für „is/are approvable“ genehmigungsfähig:

    EMA-Dokument March 2022

    Um den Disput zwischen EMA und Pfizer zur Robustheit der DNase I besser zu verstehen, liefert der Artikel von ThermoFisher SCIENTIFIC weitere Hinweise. Dort wird darauf hingewiesen, dass es schwierig sein kann, alle DNA-Kontaminationen vollständig zu entfernen.

    6.2. Das Paul-Ehrlich-Institut (PEI)

    6.2.1. Was ist das PEI und welche Aufgabe hat es?

    Das Paul-Ehrlich-Institut (PEI) ist eine Bundesoberbehörde in Deutschland, die dem Bundesministerium für Gesundheit unterstellt ist. Es wurde nach dem deutschen Medizinforscher Paul Ehrlich benannt und hat seinen Sitz in Langen, Hessen. Das PEI hat eine zentrale Rolle im Bereich der Arzneimittelsicherheit und Impfstoffzulassung in Deutschland. Hier sind einige der Hauptaufgaben des PEI:

    Zulassung: Das PEI ist für die Zulassung von Arzneimitteln und Impfstoffen verantwortlich. Es prüft die Qualität, Wirksamkeit und Sicherheit von neuen Medikamenten und Impfstoffen, bevor sie auf dem Markt zugelassen werden.

    Überwachung: Das PEI überwacht kontinuierlich die Sicherheit und Qualität von Arzneimitteln und Impfstoffen, die bereits auf dem Markt sind. Es stellt sicher, dass die Produkte gemäß den geltenden Standards hergestellt werden und den Anforderungen an Sicherheit, Reinheit und Wirksamkeit entsprechen. Es sammelt und bewertet Berichte über Nebenwirkungen und unerwünschte Ereignisse, um potenzielle Risiken frühzeitig zu erkennen und geeignete Maßnahmen zum Schutz der öffentlichen Gesundheit zu ergreifen.

    Forschung und Entwicklung: Das PEI betreibt auch Forschung auf dem Gebiet der Arzneimittelsicherheit und Impfstoffentwicklung. Es arbeitet eng mit anderen nationalen und internationalen Behörden sowie mit akademischen Einrichtungen und der Industrie zusammen, um neue Erkenntnisse zu gewinnen und innovative Ansätze zur Verbesserung der Gesundheit zu fördern.

    6.2.2. Fragen an das Paul-Ehrlich-Institut (PEI)

    27.09.2023 – Brief von ÄFI an das PEI

    ÄFI (Ärztinnen und Ärzte für individuelle Impfentscheidung e.V)

    Aufgrund der Studie von Kevin McKernan und angesichts der Verantwortlichkeit des PEI für die Überwachung und Qualitätssicherung von Impfstoffen in Deutschland formulieren „Ärztinnen und Ärzte für individuelle Impfentscheidung e.V“ (ÄFI) in einem Brief an das PEI am 27.09.2023 wichtige Fragen zum Thema „DNA-Verunreinigung in den mRNA-Impfstoffen von Pfizer/BioNTech und Moderna“.

    Frage 1: Sind die vom PEI durchgeführten oder veranlassten Sicherheitsprüfungen von Impfstoffen darauf ausgelegt, derartige Fremdstoffe (DNA-haltige Fragmente/Plasmide) nachzuweisen, zu klassifizieren und zu quantifizieren?

    Frage 2: Falls Ja: Zu welchen Ergebnissen ist das PEI gekommen? Hat das PEI Kenntnisse darüber erlangt, dass es zu signifikanten DNA-Verunreinigungen der genannten mRNA-Impfstoffen gekommen ist?

    Frage 3: Falls Nein: Hat das PEI nach Bekanntwerden der oben zitierten Ergebnisse im Frühjahr des Jahres 2023 Vorkehrungen im Sicherheitsprüfprotokoll getroffen, eine Verunreinigung für die in Deutschland eingesetzten Chargen beider Impfstoffhersteller auszuschließen?

    19.10.2023 – Antwort des PEI an ÄFI

    In der Antwort des PEI ist folgendes zu lesen:

    „Das Paul-Ehrlich-Institut ist ein amtliches Kontrolllabor im europäischen OMCL-Netzwerk und hat die meisten Chargen des von der EU-Kommission zugelassenen COVID-19-Impfstoffprodukts Comirnaty (in allen Indikationen und Konzentrationen) entsprechend OMCL-Leitfaden und Zulassungsvorgaben geprüft und ggf. die staatliche Chargenfreigabe für Deutschland erteilt.“

    „Bei den Parametern wie dem Rest-DNA-Gehalt im Impfstoff, die nur vom Hersteller experimentell geprüft werden, überprüft das OMCL die Testergebnisse des Herstellers daraufhin, ob die in der Zulassung festgelegten Grenzwerte in jeder Charge eingehalten wurden.“

    Die von den OMCL durchzuführenden Chargenfreigabetests für die COVID-19-Impfstoffe sind hier in der Tab. 2 zusammengefasst.

    „Die vom Paul-Ehrlich-Institut geprüften und freigegebenen Chargen wiesen keine Beanstandungen auf. Daher waren keine Maßnahmen wie weitere Sicherheitsvorkehrungen erforderlich. Chargen, die nicht alle Kriterien erfüllen, werden nicht für den deutschen Markt zugelassen.“

    Zusammengefasst bestätigt die Antwort des PEI: Es gibt einen Rest-DNA-Gehalt und die experimentelle Überprüfung der Impfstoff-Chargen erfolgt ausschließlich beim Hersteller.

    Die Diskussion gewinnt an Fahrt, was zu einer Vielzahl weiterer Anfragen aus medizinischen Fachkreisen zum Thema führt. Als Reaktion darauf veröffentlicht das Paul-Ehrlich-Institut (PEI) am 22.12.2023 einen Brief mit Informationen für medizinische Fachkreise.

    22.12.2023 – Brief des PEI mit Informationen für medizinische Fachkreise

    Aus diesem Brief werden die wichtigsten Aussagen des PEI analysiert. Um die Übersichtlichkeit zu verbessern, werden die Aussagen in separate Abschnitte unterteilt.

    Abschnitt I
    „Vielen der in der Öffentlichkeit kursierenden Daten und Untersuchungen zu mutmaßlichen Kontaminationen der COVID-19-mRNA-Impfstoffe liegen methodische Mängel zu Grunde. Auch stellt sich das Problem der möglicherweise unsachgemäßen Lagerung der untersuchten Impfstoffdosen.“

    Das PEI unterstellt damit den Wissenschaftlern, die es gewagt haben, den Impfstoff auf Rest-DNA-Gehalt zu überprüfen: Inkompetenz. Zu diesen Wissenschaftlern gehören u.a.:

    Dr. Kevin McKernan leitete das Team für Forschung und Entwicklung beim Human Genome Project. Er gründete Medicinal Genomics und war Mitbegründer der Agencourt Bioscience Corporation. Er ist ein renommierter Genomiker und entwickelte bahnbrechende Sequenzierungstechnologien.

    Dr. David J. Speicher ist Assistenzprofessor für Biologie und Gesundheitswissenschaften an der Redeemer University in Hamilton, Ontario. Er hat in Virologie promoviert und verfügt über umfassende Erfahrung in der Erkennung von Infektionskrankheiten mithilfe molekularbiologischer Verfahren. Seine Forschung konzentriert sich auf den Nachweis von Infektionskrankheiten mit Hilfe von Speichel-Biomarkern, und er war Leiter einer Covid-19-Testanlage.

    Dr. Phillip Buckhaults, Professor an der University of South Carolina, ist ein erfahrener Molekularbiologe und Krebsgenetiker mit umfangreicher Erfahrung in der Anwendung von Next-Gen-Sequenzierungstechnologien für die globale Genexpressionsanalyse und Erkennung von Genmutationen. Er ist zudem ein Impfbefürworter.

    Dr. Jessica Rose ist eine kanadische Forscherin mit einem Bachelor-Abschluss in angewandter Mathematik und einem Master-Abschluss in Immunologie von der Memorial University of Newfoundland. Sie hat außerdem einen Doktortitel in Computerbiologie von der Bar-Ilan-Universität und zwei Post-Doc-Abschlüsse: einen in Molekularbiologie von der Hebräischen Universität Jerusalem und einen in Biochemie vom Technion Institute of Technology.

    Prof. Dr. König hat Biologie, Chemie und Medizin studiert, sich im Fach „Medizinische Mikrobiologie und Infektionsimmunologie“ habilitiert und gehört als externe Professorin dem Lehrstuhl der Medizinischen Fakultät an der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg an.

    … und so weiter. Die Liste ist lang.

    Abschnitt II
    „Experimentelle Bestimmungen z. B. von Rest-DNA durch Dritte in auf dem Markt verfügbaren Impfstoffdosen müssen folgende Kriterien erfüllen, um wissenschaftlich haltbare Ergebnisse zu erbringen:“
    „(i) Sie dürfen nicht an Proben erfolgen, die aus abgelaufenen (Haltbarkeitsdatum überschritten) Impfstoff-Fläschchen oder aus angebrochenen oder nicht sachgemäß gelagerten Impfstoff-Fläschchen stammen.“

    a) Zugang zu Impfstoffdosen

    Zu beachten ist, dass Impfstoffe in der Regel von staatlichen Gesundheitsbehörden an medizinische Einrichtungen, Hausärzte, Fachärzte, Apotheken und Impfzentren verteilt werden. Dies bedeutet, dass diese Institutionen eine Art Monopolstellung beim Zugang und der Verteilung dieser Produkte haben.

    In diesem Zusammenhang ist der unten gelistete Aufruf des PEI an „Ärztinnen und Ärzte sowie Apothekerinnen und Apotheker“ vom 05.12.2023 bemerkenswert.

    Gleichzeitig werden Millionen der wertvollen Impfstoffdosen entsorgt. Nur fünf Tage zuvor, am 01.12.2023, titelte ZEIT ONLINE „Jetzt rächen sich die Hamsterkäufe“. In dem Artikel heißt es:

    „Allein in diesem Jahr sind 95 Millionen Coronaimpfdosen in den Zentrallagern verfallen und mussten vernichtet werden… Damit ist rund ein Drittel der 458 Millionen bisher an Deutschland ausgelieferten Dosen verfallen… Und die Zahl der verfallenen Impfdosen wird aller Voraussicht nach weiter steigen, denn in den Zentrallagern des Bundes liegen aktuell weitere 56 Millionen Impfdosen, wie das Gesundheitsministerium mitteilt.“

    Das wirft Fragen auf. Warum wird bei einem offensichtlichen Überangebot an Impfstoffdosen die Bereitstellung einzelner Exemplare zur Überprüfung verhindert? Welche Bedenken hat das Paul-Ehrlich-Institut (PEI) diesbezüglich? Diese zusätzlichen Untersuchungen könnten doch potenziell die Ergebnisse der unabhängigen Studien und Labore widerlegen. Warum testet das PEI nicht selbst? Inwiefern trägt diese Reaktion des PEI zur Vertrauensbildung bei?

    b) Klaus Cichutek über „Regulatorische Anforderungen an die Impfstoffqualität“

    In einem Paper mit dem Titel „Beschleunigte Entwicklung von COVID-19-Impfstoffen: Technologieplattformen, Vorteile und damit verbundene Risiken“ verfasst und befürwortet Klaus Cichutek, der von 2009 bis Ende 2023 Präsident des Paul-Ehrlich-Instituts war, zusammen mit anderen folgende Aussagen:

    Regulatorische Anforderungen an die Impfstoffqualität
    Wie bei gängigen Impfstoffen ist die Etablierung eines vollständig qualitätsgesicherten Herstellungsprozesses von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung von COVID-19-Impfstoffen. Dies erfordert detaillierte prozessspezifische Entwicklungen und Spezifikationen sowie die Implementierung geeigneter Kontrollmaßnahmen einschließlich In-Prozess-Kontrollen. Die gesamte Produktion von Impfstoffen muss den Anforderungen der „Good Manufacturing Practice“ (GMP) entsprechen … Für COVID-19-Impfstoffe wurde ein gewisses Maß an Flexibilität in Bezug auf das Herstellungsspektrum dieser Chargen zur Qualifizierung der Prozessleistung oder durch die Berücksichtigung der jeweiligen Daten für ähnliche Produkte derselben Plattformtechnologie angewandt. …
    Zu diesen Tests gehören auch Kontrollen und die Minimierung möglicher Kontaminationen. …
    Zugelassene Impfstoffe unterliegen zudem einer Chargenprüfung durch das Paul-Ehrlich-Institut oder ein anderes amtliches Kontrolllabor des europäischen OMCL-Netzwerks. Damit wird sichergestellt, dass für die Qualitätssicherung besonders wichtige Freigabetests, wie z.B. die Potenz, vor der offiziellen Chargenfreigabe für den Markt einer zusätzlichen experimentellen Prüfung durch ein qualifiziertes öffentliches Prüflabor unterzogen werden müssen.

    Anforderungen an klinische Prüfungen
    Auch nach der Zulassung werden weitere Studien zur Wirksamkeit („Wirksamkeit im Alltag“) und zur Sicherheit der Impfstoffe durch die Bundesbehörden durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Impfstoffe nach der Zulassung in ihrem vorgesehenen Anwendungsbereich in breiten Bevölkerungsschichten ihr positives Nutzen-Risiko-Profil behalten.

    Für die erneute Überprüfung der Nutzen-Risiko-Abwägung des untersuchten Arzneimittels gehören beispielsweise:
    1. individuelle Berichte über erwartete schwerwiegende unerwünschte Nebenwirkungen mit unerwartetem Ausgang,
    2. eine klinisch relevante Zunahme der Häufigkeit zu erwartender schwerwiegender unerwünschter Nebenwirkungen,
    3. Ereignisse im Zusammenhang mit der Durchführung der Studie oder der Entwicklung des untersuchten Arzneimittels, die die Sicherheit der betroffenen Personen beeinträchtigen könnten.

    Inwieweit stehen diese Aussagen im Widerspruch zu der oben zitierten Aufforderung im PEI-Brief vom 05.12.2023?

    c) Kann sich der Rest-DNA-Gehalt in einer abgelaufenen und verschlossenen mRNA-Impfstoffflasche erhöhen?

    Die Halbwertszeit der DNA beträgt 521 Jahre, was bedeutet, dass sich die Hälfte der DNA-Moleküle in einem Probenmaterial nach dieser Zeit zersetzt. Auch wenn die DNA zerfällt und in kleinere Fragmente zerbricht, bleibt die Gesamtmenge der DNA in einer Probe unverändert. Die Qubit-Fluorometrie und qPCR messen die DNA-Konzentration pro Volumeneinheit, jedoch bleibt die Gesamtmenge der DNA in der Probe gleich, selbst wenn sie in kleinere Fragmente zerfällt. Daher erhöht sich der Rest-DNA-Gehalt in einer mRNA-Impfstoffflasche auch nach einer kurzen Zeitspanne von 2 Jahren nicht, selbst unter nicht optimalen Lagerbedingungen.

    Abschnitt III
    „(ii) Die angewandte Methodik zur Bestimmung der Rest-DNA-Menge muss nachgewiesenermaßen geeignet und nachvollziehbar sein – insbesondere sollten Testinterferenzen durch das Vorhandensein von Lipid-Nanopartikeln in den Impfstoff-Fläschchen ausgeschlossen worden sein (was bei Testung am finalen Impfstoff-Fläschchen nicht garantiert werden kann).“

    In der Studie von Speicher et al. ist folgendes zu lesen: „Der Impfstoff in diesen drei Fläschchen wurde seriell um das 10-fache verdünnt, um die LNP-Hemmung (Hemmung von Lipidnanopartikeln) in der qPCR zu beurteilen. Wir beobachteten die erwartete ~3,3 Cq-Antwort nach der Verdünnung von 1:10 (1:10, 1:100, 1:1000), was darauf hindeutet, dass es eine LNP-Hemmung gibt, die die Quantifizierung der DNA bei diesen Verdünnungen beeinflussen könnte. Daher wurden die Daten aus den 1:10-Verdünnungen für die weitere Analyse verwendet. Diese Verdünnung sowie die Tatsache, dass einige der Dosen so konzipiert waren, dass sie vor der Anwendung verdünnt werden konnten, wurde in unseren Berechnungen berücksichtigt.“

    Dies deutet darauf hin, dass Maßnahmen ergriffen wurden, um potenzielle Testinterferenzen durch das Vorhandensein von Lipid-Nanopartikeln in den Impfstofffläschchen zu berücksichtigen.

    Abschnitt IV
    (iii) Die angewandte Methode muss validiert worden sein, um verlässliche und überprüfbare Ergebnisse zu liefern.

    „In den häufig zitierten Preprint-Veröffentlichungen von McKernan et al. (April 2023) und Speicher et al. (Oktober 2023) fehlen ausreichende Angaben, ob die genannten Bedingungen eingehalten wurden, sowie Angaben zur Nachvollziehbarkeit der gewählten Methodik. Eine Methoden-Validierung ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass mit der Durchführung der eingesetzten Methode zu jedem Zeitpunkt und unabhängig von der ausführenden Person verlässliche und reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden und dass die Methode für ihren Einsatzzweck geeignet ist. Die o. g. Bedingungen für den Erhalt wissenschaftlich haltbarer Messergebnisse bei der Rest-DNA-Bestimmung werden von den Herstellern eingehalten.“

    Zu diesem Thema äußert sich Dr. Kevin McKernan in einem Interview mit Prof. Dr. Paul Cullen und Prof. Dr. Henrieke Stahl:

    „Unsere Methoden sind im öffentlichen Raum und wurden von unabhängigen Laboratorien reproduziert. Das PEI jedoch führt gar keine eigenen Prüfungen auf DNA am Impfstoff durch, sondern überlässt diese Prüfung den Herstellern. Die Hersteller wiederum haben, soweit wir wissen, keine detaillierte Einsicht in ihre Prüfverfahren gewährt; nur ein durch eine Cyberattacke offengelegtes EMA-Dokument gibt einen gewissen Einblick in die Prüfmethoden. Würden die Hersteller oder auch das PEI ihre eigenen Methoden und selbst erhobenen Daten transparent veröffentlichen, wären wir gern bereit, Vergleiche anzustellen und möglicherweise voneinander zu lernen.“

    „Bis zu diesem Zeitpunkt sind unsere Methoden nicht nur die einzigen öffentlich zugänglichen Messverfahren, sondern auch die am besten validierten. Denn sie wurden gleich mit verschiedenen „Stress-Tests“ traktiert, wie etwa einer Gradienten-PCR, mit Feststellungen der unteren Nachweisgrenzen, einer Analyse der PCR-Primer-Konzentrationen und einer PCR-Inhibitionsanalyse. Darüber hinaus wurden die vermehrten DNA-Fragmente auch von dritter Seite mittels eines Goldstandards, der sogenannten Sanger-Methode, sequenziert. Außerdem wurde eine Standard-Sequenzierung mit der Illumina- und Oxford Nanopore-Methode in mehreren unabhängigen Labors durchgeführt.“

    „Die EMA hat, wie dem oben genannten Dokument „Rolling Review“ zu entnehmen ist, zur DNA-Messung qPCR, und zur RNA-Messung Fluorometrie und Spektrometrie im ultravioletten Lichtspektrum akzeptiert. Dieses Vorgehen steht im Widerspruch zum Moderna-Patent US 10.077.439, welches vom Firmenchef Stéphane Bancel eingereicht wurde. Hier wird gezeigt, dass qPCR die Menge an DNA unterschätzt, weil sie Fragmente mit einer Länge von weniger als etwa 100 Basenpaare nicht erfassen kann.“

    6.3. Kurze Zusammenfassung

    • Die Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA) ist sich der Problematik der „herstellungsbedingten Rest-DNA-Verunreinigungen“ seit Beginn bewusst. Bereits im Februar 2021 forderte sie gezielt zusätzliche Daten vom Hersteller an, um die Robustheit (d.h. Zuverlässigkeit) des DNase-Verdauungsschritts (siehe REC7) zu klären, da dieser verwendet wird, um die DNA zu entfernen.
    • Im März 2022 stellte die EMA fest (VAR IB-55), dass der Antragsteller keine Ergebnisse vorlegte, da er die Schlüssigkeit der Studie im kleinen Maßstab in Frage stellte und keine Anpassung des DNase-Verdauungsschritts empfahl. Diese Haltung wurde von der EMA nicht akzeptiert, und der Antragsteller wurde aufgefordert, Daten vorzulegen, die belegen, dass keine Änderung erforderlich ist. Darüber hinaus wurde betont, dass die Korrelation zwischen DNase-Verdauungsschritt und dem Gehalt an Rest-DNA, ausreichend bewertet werden sollte. Trotz dieser Bedenken wurde seitens der EMA die formelle Genehmigung erteilt.
    • Das Paul-Ehrlich-Institut (PEI) bestätigt die Existenz von Rest-DNA im Impfstoff sowie die Tatsache, dass die experimentelle Überprüfung der Impfstoffchargen ausschließlich beim Hersteller erfolgt.
    • Das PEI stellt die von unabhängigen Laboren berichteten Messergebnisse bezüglich der Rest-DNA im Impfstoff in Frage. Die Behörde zweifelt die verwendeten Messmethoden und die Qualität der verwendeten Impfstoffproben an.
    • Das Paul-Ehrlich-Institut (PEI) hat in einem „Brief an Ärztinnen und Ärzte sowie Apothekerinnen und Apotheker“ darum gebeten, keine Impfstoffdosen für weitere Untersuchungen an unabhängige Labore zu schicken. Dieser Appell erfolgt zu einem Zeitpunkt, an dem ein Überschuss an Impfstoffdosen vorhanden ist.
    • Obwohl die experimentellen Daten von McKernan et al. und Speicher et al. auf etablierten Verfahren beruhen, die den gängigen wissenschaftlichen Standards entsprechen und auch von Pfizer/BioNTech und Moderna verwendet werden, unternimmt das PEI keine Bemühungen, den Disput durch weitere unabhängige experimentelle Untersuchungen mit Beteiligung aller Parteien zu klären.

    7. Sind weitere Untersuchungen notwendig?

    Die Ausführungen im Kapitel 6 erwecken den Eindruck, dass sowohl die Hersteller der mRNA-Impfstoffe als auch die verantwortlichen Regulierungsbehörden an einer weiteren fachlichen Auseinandersetzung mit den Befunden aus Kapitel 5 nicht interessiert sind.

    Die Hauptargumente der Regulierungsbehörden wurden von McKernan zusammengefasst:

    Abb.52: Regulatory Response [Powerpoint-Aufzeichnung Massachusetts-Folien, Folie 14]

    Es gilt zu untersuchen, ob die Schlussfolgerungen der Behörden, wonach die DNA zu kurz, die DNA-Menge zu gering oder die DNA nicht funktionsfähig sei, eindeutig und unbestritten sind. Es ist wichtig, diese Schlussfolgerungen kritisch zu hinterfragen und die Argumente näher zu beleuchten bzw. zu untersuchen, um festzustellen, ob sie tatsächlich zutreffen oder ob weitere Untersuchungen erforderlich sind.

    7.1. Offizielle Aussagen zu DNA-Resten
    7.2. Weitere Studien zum Thema
    7.3. SV40 Sequenzen
    7.4. SV40-Promotor und das p53-Tumorsuppressor-Gen
    7.5. Rest-DNA und die Lipid-Nanopartikel
    7.6. Mögliche Integration in die DNA
    7.7. Aufrufe zu weiteren Untersuchungen
    7.8. Kurze Zusammenfassung

    7.1. Offizielle Aussagen zu DNA-Resten

    An dieser Stelle sind zwei Patente von Moderna hervorzuheben.

    Patent US 10077439 B2 „Beseitigung von DNA-Fragmenten bei der Herstellung von MRNA“

    In diesem Patent von Moderna (2014), verfasst unter anderem von Stéphane Bancel (CEO von Moderna), wird explizit darauf hingewiesen, dass verbleibende DNA in Arzneimittelprodukten die Aktivierung der angeborenen Immunantwort auslösen und potenziell onkogene Wirkungen bei bestimmten Patientenpopulationen verursachen könnte.

    [0003] Die im mRNA-Herstellungsprozess verwendete DNA-Matrize muss entfernt werden, um die Wirksamkeit von Therapeutika und die Sicherheit zu gewährleisten, da restliche DNA in Arzneimittelprodukten die Aktivierung der angeborenen Reaktion induzieren kann und bei Patientenpopulationen möglicherweise onkogen wirkt. Regulatorische Richtlinien erfordern möglicherweise auch die Quantifizierung, Kontrolle und Entfernung der DNA-Matrize in RNA-Produkten. Derzeit verfügbare oder gemeldete Methoden beheben diesen Mangel nicht.

    Patent US 10898574 B2 „Lieferung und Formulierung von manipulierten Nukleinsäuren“

    In einem weiteren Patent von Moderna (2021) wird eindeutig formuliert:

    „Es gibt zahlreiche Probleme mit früheren Methoden zur Abgabe pharmazeutischer Zusammensetzungen, um eine wirksame Proteinexpression sowohl für therapeutische als auch für biotechnologische Anwendungen zu erreichen. Beispielsweise kann sich eingeführte DNA mit einer gewissen Häufigkeit in die genomische DNA der Wirtszelle integrieren, was zu Veränderungen und/oder Schäden an der genomischen DNA der Wirtszelle führt. Alternativ kann die in eine Zelle eingeführte heterologe Desoxyribonukleinsäure (DNA) an Tochterzellen (unabhängig davon, ob sich die heterologe DNA in das Chromosom integriert hat oder nicht) oder an Nachkommen vererbt werden.“

    In dem „FDA-Leitfaden zu prophylaktischen DNA-Impfstoffen: Analyse und Empfehlungen“ von 2009 ist zu lesen:

    „DNA gilt als Kontamination „herkömmlicher“ (nicht DNA-)Impfstoffe. Normalerweise minimieren oder entfernen Hersteller während des Produktionsprozesses fremde DNA, um die Exposition des Menschen gegenüber potenziell schädlichem Material zu minimieren. Es überrascht nicht, dass Bedenken geäußert wurden, dass sich Plasmid-DNA in das Wirtsgenom integrieren und die Wahrscheinlichkeit einer malignen Transformation, einer genomischen Instabilität oder einer Dysregulation des Zellwachstums erhöhen könnte, als die ersten DNA-Impfstoffe für den klinischen Einsatz vorgeschlagen wurden.“

    7.2. Weitere Studien zum Thema

    7.2.1. Issues associated with residual cell-substrate DNA in viral vaccines

    In dieser Studie mit dem Titel „Probleme im Zusammenhang mit restlicher Zellsubstrat-DNA in viralen Impfstoffen“ wird darauf hingewiesen, dass das Vorhandensein einiger restlicher zellulärer DNA, die aus dem Produktionszellsubstrat in viralen Impfstoffen stammt, unvermeidlich ist. Ob diese DNA ein Sicherheitsrisiko darstellt, ist unbekannt. DNA hat zwei biologische Aktivitäten, die berücksichtigt werden müssen. Erstens kann DNA onkogen sein; zweitens kann DNA infektiös sein.

    7.2.2. High spontaneous integration rates of end-modified linear DNAs upon mammalian cell transfection

    In dieser Studie mit dem Titel „Hohe spontane Integrationsraten von endmodifizierten linearen DNAs bei der Transfektion von Säugetierzellen“ wurde die Häufigkeit der Integration von Genmaterial ins Erbgut untersucht, nachdem man Zellen mit verschiedenen Formen von DNA behandelte. Es stellte sich heraus, dass nach der Behandlung mit verschiedenen Formen von linearer DNA etwa 10 bis 20% der Zellen stabil transfiziert wurden. Mit anderen Worten, ein beträchtlicher Prozentsatz der ursprünglich behandelten Zellen nahm das genetische Material auf. Die Integration von linearen DNAs erfolgte trotz veränderter DNA-Enden mit ähnlicher Häufigkeit. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Zellen Mechanismen haben, um nicht-natürliche DNA-Enden zu eliminieren und die DNA anschließend durch Integration zu retten.
    Die Studie legt nahe, dass nicht-integrierende Gentherapiemethoden möglicherweise weiterentwickelt werden müssen, bevor sie breiter eingesetzt werden können.

    7.2.3. Double-stranded DNA induces a prothrombotic phenotype in the vascular endothelium

    Diese Studie mit dem Titel „Doppelsträngige DNA induziert einen prothrombotischen Phänotyp im Gefäßendothel“ untersucht die Auswirkungen von doppelsträngiger DNA (dsDNA) auf die Blutgefäß-Innenwand, auch bekannt als vaskuläres Endothel. Die Forscher haben menschliche Endothelzellen im Labor mit synthetischer dsDNA behandelt. Dabei stellten sie fest, dass dies zu einer verstärkten Produktion von Molekülen führte, die das Blutgerinnungssystem aktivieren. Dies wiederum führte in vitro zu einer beschleunigten Blutgerinnung. Auch eine Injektion von dsDNA in Mäuse (in vivo) beschleunigte die Bildung von Blutgerinnseln in den Blutgefäßen, was zu einer verkürzten Zeit bis zur vollständigen Gefäßokklusion mit Stillstand des Blutflusses führte. Diese Studie zeigt, dass doppelsträngige DNA (dsDNA), sowohl viraler Herkunft als auch endogener (die natürlicherweise im Körper vorhanden ist) Herkunft, direkte prothrombotische Effekte im vaskulären Endothel auslöst.

    7.3. SV40 Sequenzen

    Die SV40-Komponenten spielen in der Gentherapie eine bedeutende Rolle. Der Promotor und der Enhancer sind zwei Schlüsselelemente der SV40-DNA, die in der Gentherapie eingesetzt werden, um die Expression von Fremdgenen in Zielzellen zu verstärken.

    Der Promotor ist eine spezifische DNA-Sequenz, die die Transkription eines benachbarten Gens initiiert. In SV40 umfasst der Promotor sowohl den Replikationsursprung als auch die Bereiche für die frühen und späten Promotoren. Diese Struktur ermöglicht es dem Promotor, die Expression von Fremdgenen effizient zu regulieren.

    Der Enhancer ist eine regulatorische DNA-Sequenz, die die Aktivität eines Promotors verstärken kann, unabhängig von der Orientierung oder Entfernung relativ zum Promotor. Der SV40-Enhancer ist bekannt für seine starke Enhancer-Aktivität und wird oft in Gentherapie-Vektoren verwendet, um die Expression von eingeführten Genen zu erhöhen.

    Ein Schlüsselaspekt der SV40-Komponenten in der Gentherapie ist ihre Fähigkeit, den Import in den Zellkern zu unterstützen. Der SV40-Enhancer kann spezifische Signalwege nutzen, um die Kernporen zu passieren und effizient in den Zellkern zu gelangen. In diesem Zusammenhang sind die folgenden Studien erwähnenswert:

    Bereits 1997 wurde in einer Studie festgestellt, dass spezifische SV40-Sequenzen wichtig für den Transport von Molekülen in den Zellkern sind. In einer späteren Studie von 1999 wurde entdeckt, dass der SV40-Enhancer das Plasmid erfolgreich in die Zellkerne verschiedener Zelltypen befördert. Diese Forschungsergebnisse zeigen, wie bestimmte SV40-Sequenzen den Transport in den Zellkern steuern können.

    1997: „Am wichtigsten ist, dass der Kernimport sequenzspezifisch war: Eine Region der SV40-DNA, die den Replikationsursprung und die frühen und späten Promotoren enthielt, unterstützte den Import, während bakterielle Sequenzen allein und andere von SV40 abgeleitete Sequenzen dies nicht taten.“

    1999: „Im Gegensatz dazu wird ein ähnliches Plasmid, das den SV40-Enhancer trägt, in die Zellkerne aller getesteten Zelltypen transportiert.“

    7.4. SV40-Promotor und das p53-Tumorsuppressor-Gen

    Kevin McKernan erwähnte in einer Präsentation [Massachusetts-Folien, Folie 23] eine Studie zur Interaktion zwischen dem SV40-Promotor und p53.

    p53 ist ein Schlüsselprotein im Tumorsuppressor, oft als „Wächter des Genoms“ bezeichnet. Es reguliert den Zellzyklus, die DNA-Reparatur, die Apoptose (programmierter Zelltod) und die Seneszenz (Zellalterung). Mutationen im p53-Gen sind häufig in vielen Krebsarten zu finden und führen zu Funktionsverlust und gestörter Regulation von Zellwachstum und -teilung.

    Die Studie ergab, dass p53 mit einem spezifischen Bereich des SV40-Virusgenoms, bekannt als „Frühpromotor“, interagiert. Die Aussage in der Studie lautet: „Das p53-Protein bindet an den SV40-Frühpromotor.“

    Rein hypothetisch könnte dies verschiedene Auswirkungen haben:

    p53-Funktionsverlust: Wenn der SV40-Frühpromotor an p53 bindet und seine normale Funktion beeinträchtigt, könnte dies zu einem Funktionsverlust von p53 führen. p53 ist ein wichtiger Tumorsuppressor, der die Zelle normalerweise vor unkontrolliertem Wachstum schützt. Ein Funktionsverlust von p53 könnte daher zu einem erhöhten Risiko von Krebs oder anderen unerwünschten zellulären Veränderungen führen.

    Störung der p53-vermittelten Signalkaskade: p53 reguliert die Expression vieler Gene, die an der Zellzyklusregulation, Apoptose (programmierter Zelltod) und DNA-Reparatur beteiligt sind. Wenn der SV40-Frühpromotor an p53 bindet und seine normale Transkriptionsaktivität beeinträchtigt, könnte dies zu einer Störung dieser wichtigen zellulären Prozesse führen, was potenziell zu genetischen Instabilitäten oder anderen zellulären Problemen führen könnte.

    Interferenz mit anderen p53-Interaktionen: p53 interagiert mit vielen anderen Proteinen und regulatorischen Elementen im Zellkern, um seine Funktionen auszuüben. Wenn SV40-DNA-Sequenzen in den Zellkern gelangen und dort mit p53 interagieren, könnten sie andere wichtige p53-Interaktionen stören, was zu weitreichenden Auswirkungen auf die zelluläre Physiologie führen könnte.

    Dies sind hypothetische Szenarien und daher wären weitere experimentelle Untersuchungen erforderlich, um die tatsächlichen Auswirkungen einer SV40-p53-Interaktion zu verstehen.

    Darauf verweist auch McKernan in seiner Präsentation [Massachusetts-Folien, Folie 23]. Er sagte, dass die SV40-p53-Interaktion auf Genotoxizität untersucht werden müsste und das es bisher keine Studien zur Genotoxizität gibt. Es müsse analysiert und bewertet werden, ob es Integrationsrisiken oder onkogene Risiken gibt.

    7.5. Rest-DNA und die Lipid-Nanopartikel

    Speicher et al. stellten in der Studie fest, dass die Plasmid-DNA wahrscheinlich in Lipid-Nanopartikel verpackt ist. Die Aufgabe der Lipid-Nanopartikel ist es, ihren Inhalt vor dem Abbau durch Enzyme im Körper zu schützen. Die Lipid-Nanopartikel böten einen Schutz für die eingeschlossene DNA und würden es ihr ermöglichen, die Zellmembran zu durchqueren und in die Zellen einzudringen. Sobald die DNA in der Zelle angekommen ist, könnte der SV40-Enhancer, wenn er Teil der DNA-Sequenz ist, dazu beitragen, die DNA-Sequenz in den Zellkern zu transportieren. Diese würde das Risiko der Intergration der Plasmid-DNA in das Genom erhöhen.

    Dr. Phillip Buckhaults beschreibt dies mit folgender Analogie:

    20 griechische Soldaten, die vor den Mauern von Troja herumlaufen, sind keine große Sache.
    20 griechische Soldaten, die in ein großes Holzpferd verpackt sind, sind eine andere Sache.

    Die Schlussfolgerung von Speicher et al. in ihrer Studie lautet wie folgt: „Die FDA- und WHO-Richtlinien berücksichtigten nicht die Verpackung von DNA in Lipid-Nanopartikeln, was wahrscheinlich zu einer längeren DNA-Persistenz sowie einer erhöhten Transfektionseffizienz (genetisches Material erfolgreich in eine Zielzelle zu transportieren) führte. Darüber hinaus wurde in den Leitlinien eine kumulative Dosierung mit LNP-basierter modRNA nicht berücksichtigt.“

    „Unsere Ergebnisse erweitern bestehende Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von Impfstoffen und stellen die Relevanz von Leitlinien in Frage, die vor der Einführung einer effizienten Transfektion mit LNPs (Lipid-Nanopartikeln) konzipiert wurden. Angesichts mehrerer offensichtlicher Einschränkungen drängen wir darauf, dass unsere Arbeit unter forensischen Bedingungen repliziert wird und dass die Richtlinien überarbeitet werden, um eine hocheffiziente DNA-Transfektion und kumulative Dosierung zu berücksichtigen.“

    7.6. Mögliche Integration in die DNA

    7.6.1. Eine weitere Studie

    Die folgende Studie untersuchte zunächst das „Vorhandensein von viralem Spike-Protein und vakzinalem Spike-Protein im Blutserum von Patienten mit Long-COVID-Syndrom“. Von den 81 analysierten Long-COVID-Patienten wurden bei 2 Patienten Fragmente des Impfstoff-Spike-Proteins gefunden, zwei Monate nach der Impfung. Die Studienverfasser stellten sich die Frage, ob eine dauerhafte Produktion von Spike-Proteinen auf DNA-Veränderungen beruhen könnte. Um diese Frage zu klären, führten sie eine ergänzende Studie durch.

    In der ergänzenden Studie wurden die Blutproben von Patienten mit dem Long-COVID-Syndrom auf das „Vorhandensein von Spike-Proteinsequenzen des BNT162b2-Impfstoffs in der DNA“ überprüft. Dafür setzten sie spezifische DNA-Tests ein, um den genetischen Code des COVID-Impfstoffs in den Zellgenomen der Studienteilnehmer nachzuweisen. Die Ergebnisse deuteten auf das Vorhandensein von Spike-Protein-Sequenzen hin, die denen des Impfstoffs ähnelten.

    In der Diskussion wurde darauf aufmerksam gemacht, dass die Ergebnisse auf eine mögliche Integration des Impfstoff-Spike-Proteins in die DNA der Patienten hinweisen könnten. Es wurden auch Verbindungen zu anderen Studien hergestellt, die ähnliche Ergebnisse zeigten. Die Studie weist jedoch auch auf ihre eigenen Grenzen hin, wie z.B. die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen, um die Integration des Impfstoffs zu bestätigen und mögliche Fehlerquellen auszuschließen.

    Insgesamt empfehlen die Autoren weitere Studien mit größeren Stichproben und Kontrollgruppen, um die Spezifität und Prävalenz der Impfstoffintegration bei Long-COVID-Patienten zu bewerten.

    7.6.2. Kleinere DNA-Fragmente

    Um die Patientensicherheit im Hinblick auf die DNA-Kontamination von Wirtszellen zu gewährleisten, hat die Food and Drug Administration (FDA) Branchenleitlinien für die Herstellung von Zell- und Gentherapien veröffentlicht:

    „Da einige Zellsubstrate auch tumorigene genetische Sequenzen oder retrovirale Sequenzen beherbergen, die eine Infektion übertragen können, empfehlen wir Ihnen, Maßnahmen zu ergreifen, um die biologische Aktivität jeglicher Rest-DNA in Verbindung mit Ihrer Viruspräparation zu minimieren. Dies kann erreicht werden, indem die Größe der DNA unter die Größe eines funktionalen Gens reduziert wird und die Menge der Rest-DNA verringert wird. Wir empfehlen, die Menge an Rest-DNA bei kontinuierlichen nicht-tumorigenen Zellen auf weniger als 10 ng/Dosis und die DNA-Größe auf weniger als ca. 200 Basenpaare zu begrenzen.

    Wenn Sie Zellen verwenden, die von Tumoren abstammen oder tumorigene Phänotypen oder andere Merkmale aufweisen, die Anlass zu besonderen Bedenken geben können, kann die Begrenzung bestimmter Rest-DNA-Mengen erforderlich sein, um die Produktsicherheit zu gewährleisten. …“

    Auch wenn die FDA Richtlinien die Begrenzung von Rest-DNA in Impfstoffen vorschreibt, bedeutet dies nicht zwangsläufig, dass DNA-Fragmente kleiner als 200 bp (Basenpaare) keine Auswirkungen haben oder keine Rolle spielen können.

    Selbst kleine DNA-Fragmente können theoretisch in das Genom eingebaut werden, wenn sie in die Zellen gelangen und durch die zellulären Mechanismen erkannt werden. Ob diese Fragmente eine funktionelle Rolle im Genom spielen können, hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich ihrer Sequenz, ihrer Position im Genom und der Verfügbarkeit von Reparaturmechanismen. Daher könnten selbst sehr kleine DNA-Fragmente, einschließlich solcher unter 200 Basenpaare, in das Genom integriert werden und biologische Effekte haben.

    Kevin McKernan schreibt in einem Substack:

    Einige Richtlinien legen den Fokus ausschließlich auf DNA-Fragmente, die größer als 200 Basenpaare sind. Die Annahme, dass Fragmente unter 200 Basenpaaren keine Relevanz haben, beruht jedoch auf einer fehlerhaften Logik. Diese Annahme geht davon aus, dass DNA in diesem Größenbereich nicht in der Lage ist, einen Open Reading Frame (ORF), also einen spezifischen Abschnitt in der DNA oder RNA, der Informationen für die Übersetzung in ein Protein enthält, zu kodieren. Sollte dies dennoch möglich sein, wird angenommen, dass das resultierende Peptid so kurz (66 Aminosäuren) wäre, dass es nicht von Bedeutung ist, oder dass die kurze DNA schnell abgebaut wird.

    „Es gibt einige Gründe, warum dieses Argument fehlerhaft ist.

    1) Die Vorschriften sahen nicht vor, dass sich diese DNA in Nuklease-resistenten Lipid-Nanopartikeln befindet, daher bedeutet eine kurze Länge keinen schnellen Abbau.

    2) Auch kleine DNA-Fragmente können funktionsfähig sein. Der 72 Basenpaar lange SV40 Enhancer ist ein solches Element, von dem bekannt ist, dass es Transkriptionsfaktoren rekrutiert und die DNA in den Zellkern hinein bewegt. Die Arbeit von David Dean deckt dies ab.

    3) Selbst kleine Fragmente, wenn sie integriert werden, können ein menschliches Gen aus dem Rahmen werfen und Probleme verursachen.“

    Kevin McKernan hob bei einem Vortrag hervor, dass die Menge der DNA in Nanogramm nicht allein ausschlaggebend ist, sondern auch die Molarität, also die Anzahl der DNA-Moleküle in einer bestimmten Lösungsmenge (Dosis). „Ein 200-Basen-Fragment ist wie eine Schrotkugel, die in Ihr Genom eindringt und eine viel höhere Neigung hat, sich zu integrieren und Ihr Genom zu schädigen.“

    7.6.3. Größere DNA-Fragmente

    Das Vorhandensein von größeren DNA-Fragementen ist ein weiteres Thema, dass untersucht werden sollte. In einem Interview erläutert McKernan diese Sachlage:

    „Sutton und sein Team haben gezeigt, dass Hybride, also Paare aus DNA und RNA, das Enzym DNase blockieren können, das für den Abbau von DNA verantwortlich ist. Solche Hybride könnten auch in mRNA-Impfstoffen vorhanden sein. Das N1-Methyl-Pseudouridin in der modifizierten RNA des Impfstoffs könnte dazu führen, dass diese mit der DNA interagiert und sich daran bindet. Die Sequenzierung der Plasmid-DNA war in der Region des Spike-Gens weniger effektiv, was darauf hindeutet, dass DNA:RNA-Hybride die Sequenzierungsreaktion stören können. Es ist wahrscheinlich, dass solche Hybride enzymatische Reaktionen blockieren, da die DNase normalerweise auf doppelsträngige DNA (also DNA:DNA-Hybride) abzielt. In meinem Substack habe ich dieses Problem ausführlich beschrieben.“

    7.6.4. Dr. Phillip Buckhaults

    In seiner Anhörung im Senat von South Carolina September 2023 sagte Buckaults:

    „Wir machen das ständig im Labor. Wir nehmen DNA-Stücke und vermischen sie mit einem Lipidkomplex wie in dem Pfizer-Impfstoff. Wir gießen ihn auf Zellen, und ein großer Teil davon gelangt in die Zellen und ein großer Teil in die DNA dieser Zellen, und er wird zu einem festen Bestandteil der Zellen. Es ist nicht nur eine vorübergehende Sache, es ist in dieser Zelle und in all ihren Nachkommen von nun an und für immer. Deshalb bin ich sozusagen beunruhigt über diese DNA im Impfstoff, denn sie unterscheidet sich von der RNA, weil sie permanent sein kann. Das ist eine echte Gefahr für die Genomveränderung von langlebigen Zellen wie Stammzellen, und sie könnte theoretisch, das ist alles eine theoretische Sorge – aber auf der Grundlage der Molekularbiologie, eine anhaltende Autoimmunreaktion auf dieses Gewebe hervorrufen. Es ist auch ein sehr reales theoretisches Risiko für zukünftige Krebserkrankungen bei manchen Menschen, je nachdem, wo im Genom dieses fremde Stück DNA landet, kann es einen Tumorsuppressor unterbrechen oder ein Endogen aktivieren.“ …

    „Die DNA ist ein langlebiger Informationsspeicher. Mit dem, womit Sie geboren wurden, werden Sie sterben und es an Ihre Kinder weitergeben. Die DNA hält Hunderttausende von Jahren. Und sie kann Generationen überdauern, wenn du sie an deine Kinder weitergibst. Veränderungen der DNA bleiben also bestehen. Die RNA ist von Natur aus vorübergehend, sie ist nicht von Dauer, und diese Eigenschaft der RNA war Teil des Verkaufsarguments für den Impfstoff.“ ….

    „Das Pseudo-Uridin sollte dafür sorgen, dass die RNA etwas länger hält, aber es handelt sich immer noch um ein vorübergehendes Phänomen, das Stunden bis Tage dauert. Und wenn Proteine einmal hergestellt sind, halten sie auch nicht ewig, sondern nur Stunden bis Tage. Aber etwas, das seinen Weg in die DNA findet, hat das Potenzial, sehr lange zu halten, vielleicht ein Leben lang.“

    „Meiner Meinung nach sollte jemand DNA-Proben von Stammzellen geimpfter Menschen sequenzieren und herausfinden, ob dieses theoretische Risiko eingetreten ist oder nicht.“

    7.6.5. Dr. Jürgen O. Kirchner

    Auf die Frage von The Epoch Times „Welches Risiko besteht aus Ihrer Sicht, wenn man fremde DNA gespritzt bekommt?“, antwortet Kirchner:

    „Das ist eine ganz wichtige Frage. Zunächst mal, was macht die DNA? Wenn die DNA eingeschleust wird in die Zellen, dann kann sie in den Zellkern wandern und sich integrieren in die menschliche DNA und dort entweder Gene ausschalten, Gene einschalten – unter anderem auch Krebs-Gene einschalten. Und wenn das DNA-Stücke sind, die zu groß dafür sind, in den Zellkern zu kommen, es gibt auch sogenannte Bakterien-Plasmide, die ebenfalls in den Impfstoffen gefunden wurden, dann kann dieses Plasmid außerhalb des Zellkerns schon Aktivität zeigen, das heißt es wird abgelesen. Und das fatale ist, dass das Plasmid, was in den Impfstoffen gefunden wurde, das Spike-Gen beinhaltet und ein Gen für eine Antibiotikaresistenz. … Das muss wissenschaftlich untersucht werden.“

    7.6.6. Vorläufige Hinweise auf die Integration von DNA

    Auf dem International Crisis Summit-5 (ICS-5) vom 23.02.2024 in Washington DC hat Kevin McKernan neueste Untersuchungen zu einer möglichen DNA-Integration vorgestellt. Der ganze Beitrag ist unter diesem Link zu sehen.

    Ab Minute 9:50 werden Ergebnisse der Untersuchungen mit Impfstoff behandelten OVCAR3- und MCF7-Zellen präsentiert.

    OVCAR3-Zellen: Diese Zelllinie stammt von einem Ovarialkarzinom ab, das ein bösartiger Tumor der Eierstöcke ist. MCF7-Zellen: Diese Zelllinie stammt von einem Brustkrebs (Mammatumor) ab. Beide Zelllinien sind etablierte Modelle für die Untersuchung von Krebsbiologie, das Testen von Medikamenten und die Entwicklung von Therapien.

    Kevin McKernan berichtete, dass die DNA in die so behandelten Zellkulturen nachgewiesen wurde. „Wir können die DNA dort sehen. Es ist eine sehr hohe Kopienzahl… Es handelt sich um eine etwa 3000-fache Abdeckung des gesamten Impfstoffgenoms.“

    Mit einfachen Worten bedeutet das, dass die genetische Information des Impfstoffs in die Zellen gelangt ist. Die Forscher konnten die DNA im Inneren der Zellen sichtbar machen und feststellen, dass sie in sehr hoher Anzahl vorhanden war.

    Die Angabe „etwa 3000-fache Abdeckung des gesamten Impfstoffgenoms“ bezieht sich darauf, wie oft die DNA-Sequenzen des Impfstoffs in den Zellen gefunden wurden. Eine „3000-fache Abdeckung“ bedeutet, dass die DNA-Sequenzen im Durchschnitt etwa 3000 Mal in den untersuchten Zellen vorhanden waren. Dies deutet darauf hin, dass eine große Menge der genetischen Information des Impfstoffs in die Zellen eingedrungen ist.

    Kevin McKernan berichtete weiter: „Wir haben auch zwei Genomintegrationen gefunden. Diese sind noch nicht repliziert worden, wie alle unsere qPCR-Daten, es ist also noch sehr früh, aber wir haben Fusionen von DNA zwischen der Spike-Sequenz und Chromosom 12 und zwischen der Spike-Sequenz und Chromosom 9. Dies muss mit Long-Read-Sequenzierern bestätigt werden, mit denen wir das gesamte Integrationsereignis abdecken können… Aber wir sollten so etwas nicht sehen… Wir müssen also noch ein wenig mehr Validierung betreiben, aber es ist immer noch ein wenig besorgniserregend.“

    Nähere Informationen dazu hier.

    7.7. Weitere Aufrufe zu Untersuchungen

    Auch der WDR berichtete am 18.01.2024 über die Thematik der DNA-Verunreinigungen in den mRNA-Impfstoffen:

    Hier nochmal eine Zusammenfassung der Aussagen.

    Dr. Thomas Voshaar, Lungenfacharzt am Klinikum Moers, beantwortete dem WDR folgende Fragen:

    „Teilen Sie die Meinung, dass es Zeit wird, für eine Neubewertung dieser mRNA-Impfstoffe?“

    „Ja, absolut. Es gibt ja zwei Dinge, die jetzt aufgefallen sind. Das eine ist, DNA darf herstellungsbedingt in ganz geringer Menge da drin sein. Das ist eine WHO Spezifikation. Warum das vernünftig ist und warum man das zulässt, dass muss man auch mal hinterfragen. Weil man sagt zwar, da geht kein relevantes Risiko von aus und deshalb bin ich im Moment auch beruhigt. Aber wir wissen das nicht. Es gibt dazu überhaupt gar keine Untersuchungen, wie wenig ungefährlich ist und ab wann es vielleicht gefährlich ist.“

    „Aber warum nicht? Warum gibt es diese Untersuchungen nicht?“

    „Ja, das ist wirklich eine Frage. Man hat natürlich diesen neuen Impfstoff mit dieser neuen Technologie unter relativ hohem Druck, zeitlichem Druck und das wird natürlich auch immer wieder positiv betont, entwickelt und deshalb ist vielleicht manches auf der Strecke geblieben. Aber nochmal, es war ein Konsens, auch bei der WHO, dass man bedingt durch den Herstellungsprozess es akzeptiert, das bestimmte DNA-Mengen da drin sein dürfen. Aber es bleibt dabei, es ist eine Verunreinigung. Lieber würde man das nicht da drin haben. Und jetzt kommt noch hinzu, dass einige Labore wohl festgestellt haben, dass in bestimmten Chargen auch mehr drin ist und größere DNA-Stücke als eigentlich zulässig wäre.“

    „Das heißt, was fordern Sie konkret?“

    „Man muss auf jeden Fall das Paul-Ehrlich-Institut (PEI) nochmal in die Pflicht nehmen. Das Paul-Ehrlich-Institut beschränkt sich überwiegend darauf, die Protokolle der Überprüfung des Herstellers anzugucken. Und man kann das nicht dem Hersteller überlassen, sondern man muss andere Labore beauftragen und muss das nochmal komplett hinterfragen.“

    „Wir haben dazu (zum Thema DNA-Verunreinigungen) die Firma BioNTech um Stellungnahme gebeten, aber KEINE Antworten erhalten.“

    7.8. Kurze Zusammenfassung

    • Studien zeigen, dass das Vorhandensein von Plasmid-DNA, die aus dem Produktionsprozess von mRNA-Impfstoffen stammt, unvermeidbar ist.
    • Das Vorhandensein von Plasmid-DNA im Impfstoff ist nicht unbedenklich. Ob diese DNA-Reste ein Sicherheitsrisiko darstellen, muss gezielt untersucht werden.
    • Laboruntersuchungen belegen die Möglichkeit der Integration linearisierter DNA-Sequenzen in Säugetierzellen sowie die potenziell kritischen Auswirkungen von dsDNA auf die Funktionalität menschlicher Endothelzellen.
    • Studien weisen darauf hin, dass Rest-DNA möglicherweise in den Lipid-Nanopartikeln eingeschlossen ist. Dies könnte es ihr ermöglichen, die Zellmembran zu durchqueren und in die Zellen einzudringen.
    • Das Vorhandensein von SV40-Komponenten wie Promoter und Enhancer birgt die potenzielle Gefahr, DNA-Fragmente in den Zellkern zu transportieren und könnte auch die ordnungsgemäße Funktionalität des p53-Tumorsuppressor-Gens beeinträchtigen.
    • Weltweit weisen immer mehr Wissenschaftler auf diese möglichen Gefahren hin und betonen die Notwendigkeit zusätzlicher sorgfältiger Untersuchungen.

    8. Epilog

    Die mRNA-Technologie ist zweifellos ein beeindruckendes Zeugnis menschlicher Intelligenz. Gleichzeitig verdeutlicht sie die extreme Komplexität nicht nur der einzelnen technologischen Produktionsschritte, sondern auch der Wechselwirkungen dieser Präparate mit dem menschlichen Körper. Wie bei jeder hochkomplexen Technologieplattform weist sie Vor- und Nachteile auf.

    Die Debatte über DNA-Verunreinigungen im mRNA-Impfstoff, die in dieser Abhandlung zusammengefasst wurde, unterstreicht die dringende Notwendigkeit weiterer Untersuchungen im Hinblick auf die Zuverlässigkeit des technologischen Produktionsprozesses, der Standardisierung der Messverfahren und Grenzwerte für die Qualitätssicherung sowie zur Bewertung der Langzeitwirkungen solcher Therapeutika.

    Bei Produkten, die für den zukünftigen weltweiten Einsatz konzipiert sind, sollten Sorgfalt und Gründlichkeit im Vordergrund stehen.

    Und es bleiben Fragen:

    Warum schweigen die Hersteller von mRNA-Impfstoffen zu diesem Thema?

    Warum werden die Behörden nicht aktiv, um die Ergebnisse und Bedenken unabhängiger Labore und Wissenschaftler durch eigene, herstellerunabhängige experimentelle Untersuchungen zu widerlegen bzw. um mehr Klarheit in der Diskussion zu erlangen?

    Erinnern wir uns an die eindringlichen Worte der ehemaligen Bundeskanzlerin Frau Merkel zu Beginn der Corona-Pandemie:

    „Wir sind eine Gemeinschaft, in der jedes Leben und jeder Mensch zählt.“

    Danksagung

    Ich möchte meinen aufrichtigen Dank an die zahlreichen Wissenschaftler, Forscher und engagierten Personen aussprechen, die durch ihre Studien, Artikel und Vorträge kontinuierlich dazu beitragen, verschiedene Aspekte dieses komplexen Themas zu erforschen und der Öffentlichkeit näherzubringen. Ihre Hingabe und ihre Bemühungen sind von unschätzbarem Wert und tragen maßgeblich zum Fortschritt unseres Verständnisses bei.

    Quellen (Stand vom 02.03.2024)

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  • The Personal Digital Twin

    The Personal Digital Twin

    Do you want to live forever?

    to the English version …

    Selbstreflexion und die Suche nach der Essenz der eigenen Existenz sind zentrale Themen, die die Menschheit seit jeher beschäftigen. In der Philosophie wird die Frage „Wer bin ich?“ zu einem faszinierenden und komplexen Rätsel, das nicht nur unsere Identität, sondern auch die Grundlagen unseres Denkens und Seins erforscht. Wenn wir uns selbst betrachten, stoßen wir auf eine Vielzahl von Schichten, die von biologischen Faktoren über psychologische Prozesse bis hin zu sozialen Einflüssen reichen. Die Komplexität der Auseinandersetzung mit dieser grundlegenden Frage ist in der kurzen Lektion von Amy Adkins „Wer bin ich? Eine philosophische Untersuchung“ skizziert.

    Laut Adkins könnte man diese Frage vielleicht auch mit „Ich bin ein Sagenheld, der ein mächtiges Schiff auf einer epischen Reise steuert“ beantworten.

    Metaphorisch gesehen stellen die modernen Technologien der vierten industriellen Revolution ‚ein mächtiges Schiff‘ dar. Die Digitalisierung aller Aspekte unseres Alltags ist zum Megatrend geworden, das durchaus mit ‚einer epischen Reise‘ vergleichbar ist.

    Die Beziehung zwischen Digitalisierung und Philosophie ist vielschichtig und betrifft verschiedene Aspekte der menschlichen Existenz, Gesellschaft und Ethik.

    „Dadurch, dass die Digitalisierung die Gesellschaft durchwirkt wie keine andere Entwicklung bisher, stellt sich in Zukunft unter anderem immer mehr die Frage nach der Beziehung zwischen Mensch und Maschine und der Unterscheidung zwischen beidem. Auch greift die Annahme, eine Maschine oder technisches Gerät sei nur ein neutrales Hilfsmittel, zu kurz und kann im schlimmsten Fall verharmlosend sein, denn „es hat ein Eigenleben, das wir ihm eingebaut haben.“ Mit dem Philosophen Günter Anders lässt sich sagen, dass der Unterschied zwischen technischen und gesellschaftlichen Gebilden immer geringer wird, bis er irgendwann gänzlich hinfällig ist. Dennoch unterscheidet sich aber der Mensch immer noch von der Maschine vor allem durch den Geist.“  schreibt Thorina Lepak in Ihrem Beitrag Ethik und Mensch: Digitalisierung braucht Philosophie.

    Die Digitalisierung beeinflusst unsere Identität auf verschiedene Weisen, sei es durch soziale Medien, die Verwaltung von persönlichen Daten oder die Schaffung digitaler Repräsentationen wie Digital Twins alias Digitale Zwillinge.

    Laut dem Technologiekonzern THALES – Digital twins: How virtual models are helping companies improve efficiency and cut costs | Thales Group – bereiten sich 70 Prozent der Führungskräfte in der Technologiebranche darauf vor, in Digital Twin Technologien zu investieren. Aber was ist so toll an dieser Technologie?

    Die Unternehmensberatung McKinsey beschreibt den Begriff „Digitaler Zwilling“ folgendermaßen:

    „Ein digitaler Zwilling ist eine digitale Darstellung eines physischen Objekts, einer Person oder eines Prozesses, kontextualisiert in einer digitalen Version seiner Umgebung. Digitale Zwillinge können einem Unternehmen dabei helfen, reale Situationen und deren Ergebnisse zu simulieren, um letztlich bessere Entscheidungen treffen zu können.“

    Folgendes Beispiel dient der Veranschaulichung [Digital twins: How virtual models are helping companies improve efficiency and cut costs | Thales Group]:

    Angenommen, im Fokus eines digitalen Zwillings steht eine Windkraftanlage, welche mit Sensoren ausgerüstet ist, um Informationen über den Energieertrag, die Temperatur, Vibrationen, Wetterbedingungen und ähnliche Parameter zu erfassen. Sobald diese Daten vorliegen, ermöglicht es der digitale Zwilling, Simulationen durchzuführen, um Leistungsprobleme zu analysieren und potenzielle Verbesserungsvorschläge zu erarbeiten. Letztendlich können die gewonnenen Erkenntnisse auf die tatsächliche Turbine übertragen werden, um deren Leistung zu optimieren.

    Dabei sind folgende wesentliche Digital Twin Technologiemerkmale zu betonen:

    • Ein digitaler Zwilling als vollständige Nachbildung, strebt danach, sämtliche Aspekte eines Systems detailgetreu nachzubilden.
    • Der digitale Zwilling ist auf einen wechselseitigen Informationsfluss mit dem zu emulierenden Objekt ausgelegt, wobei ein bidirektionaler Austausch von Echtzeitdaten erfolgt.
    • Digitale Zwillinge tragen dazu bei, das aktuelle Geschehen zu verstehen. Dadurch ermöglichen sie die Behebung von Problemen in Echtzeit und die Optimierung der Leistung des realen Objekts.

    Heute haben sich Unternehmen in einer Vielzahl von Branchen für digitale Zwillinge entschieden, weil sie die Entwicklungszeiten verkürzen, die Kosten senken und die Effizienz steigern können. Digital Twin Technologie wird bereits in den folgenden Industriesegmenten eingesetzt [What is a digital twin? | IBM]:

    • Automobilindustrie,
    • Maschinenbau,
    • Energiesektor,
    • Produktionsprozesse,
    • Gesundheitswesen,
    • Urbane Planung.

    Die THALES Experten stellen sich die rhetorische Frage:

    „Wenn ein digitaler Zwilling erfolgreich eine Windturbine emulieren kann, kann er dann auch über den industriellen Kontext hinausgehen?“

    Viele Experten sind überzeugt, dass diese Vision realisierbar ist, und tatsächlich arbeiten einige von ihnen bereits an äußerst ehrgeizigen Anwendungen. Die Einschätzung geht dahin, dass persönliche digitale Zwillinge bis zum Ende des Jahrzehnts zur alltäglichen Realität werden könnten – und dass dieser Fortschritt maßgeblich vom Gesundheitswesen vorangetrieben wird.

    Der ehemalige CEO von General Electric, Bill Ruh, prognostiziert beispielsweise, dass jeder Mensch schon von Geburt an mit einem digitalen Zwilling ausgestattet sein wird. Dieser digitale Zwilling wird das individuelle Genom der Person nutzen, um personalisierte Behandlungsvorschläge zu unterbreiten, sobald Krankheiten auftreten. [Digital twins: How virtual models are helping companies improve efficiency and cut costs | Thales Group]

    Das der Personal Digital Twin mehr als nur eine Vision ist, beweist die Tatsache, dass im Jahr 2020 die Gemeinsame Forschungsstelle (Joint Research Centre – JRC) der Europäischen Kommission das Projekt „MyDigitalTwin: Trusted Personal Digital Twins in a Transformed Society“ ins Leben gerufen hat. Die im Internet verfügbaren Informationen zu diesem Projekt sind spärlich. Unter diesem Link erhält man folgende allgemeine Informationen:

    „Das Projekt MyDigitalTwin (MyDT) zielt darauf ab, zu untersuchen, wie die schnell wachsende Generation persönlicher Daten über PDTs genutzt, überwacht und kontrolliert werden kann und welche Rolle PDTs beim Verständnis komplexer/schneller gesellschaftlicher Dynamiken spielen. Die Studie will die Herausforderungen im Zusammenhang mit Ethik und Datenschutz sowie die Möglichkeiten untersuchen, die bestehenden PDT-Rahmenwerke von einem Business-to-Customer (B2C)-Kontext auf einen Government-to-Citizen (G2C)-Kontext zu übertragen. Schließlich wird MyDT die Rolle der PDT für eine europäische e-Identität untersuchen.“

    Weitere Informationen zum Projekt MyDigitalTwin (MyDT) der EU-Kommission finden sich im eBook von Prof. Roberto Saracco mit dem Titel „Personal Digital Twins – A third evolution step of humankind?“ (Persönliche digitale Zwillinge – Eine dritte Evolutionsstufe für die Menschheit?). Prof. Saracco ist nicht nur einer der Vorsitzenden der IEEE Digital Reality Initiative, sondern auch aktiver Teilnehmer in der Expertenarbeitsgruppe des MyDT-Projektes.

    Das MyDT-Projekt betrachtet Personal Digital Twins als einen neuen technologischen Vorteil, indem es ein digitales Ego für alle Bürger erschafft – ihr alternatives digitales Selbst.

    Offensichtlich betrachtet die EU-Kommission die PDTs als ausgereift genug, um auf EU-Ebene in Erwägung gezogen zu werden. In ihrer Stellungnahme zur Frage, warum die EU sich nun mit PDTs befassen sollte, werden folgende Punkte vorgebracht:

    • Digitale Zwillinge sind ein grundlegendes Element der digitalen Transformation der Gesellschaft. Sie spielen eine entscheidende Rolle in der Virtualisierung, Datenerfassung und Vernetzung.
    • Die Covid-19 Pandemie hat das Volumen personenbezogener Daten weiter erhöht (heute im Exabyte-Bereich) und dadurch das Gefüge geschaffen, das den digitalen und physischen Raum durch das Muster des „digitalen Zwillings“ vereint.
    • Daten und ihre Fähigkeit, sowohl von Institutionen als auch von einzelnen Bürgern genutzt zu werden, sind unverzichtbar für die Strategien der grün/digitale Transformation und der Next Generation EU.

    Das MyDT-Projekt ist eng mit mehreren Aktivitätsbereichen im EU-Rahmen verbunden. Dazu gehören der Datenfreifluss, die Europäische Datenbank, der KI-Regulierungsrahmen, die E-ID (elektronische Identität), BARDA, die Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) und die Strategie des Grünen Deals.

    Inwieweit soll der PDT die physische Person widerspiegeln?

    Das hängt im Wesentlichen davon ab, was von dem PDT erwartet wird. Aktuell wird der Einsatz von PDTs im Gesundheitswesen propagiert. Ein PDT der so konzipiert ist, spiegelt physiologische Aspekte der Person mit einer Vielzahl von Details wider (Gewicht, Größe, Geschlecht, Herzschläge, Atemfrequenz, Stoffwechsel, usw.) und kann eine Vielzahl von weiteren gesundheitsbezogenen Daten enthalten (Genomsequenz, Allergien, Lebensumgebung, elterliche Pathologien, berufliche Risiken usw.).

    Wie schnell dies in die Praxis mittlerweile umgesetzt werden kann, demonstriert dieses Werbevideo von dem „Forward CarePod™, the World’s First AI Doctor’s Office“ des US-Unternehmens GoForward.

    Vor Kurzem stellte Google das MedLM vor, eine Reihe spezialisierter generativer KI-Modelle für das Gesundheitswesen. Laut Google entspricht die Leistungsfähigkeit dieser KI-Modelle dem Niveau eines Facharztes.

    Mit dem Versprechen eines persönlichen 360 Grad Rundum Gesundheitsschutzes und das im 24/7 Modus 365 Tage im Jahr wird die Mehrheit der Bevölkerung freiwillig den ersten Schritt in Richtung PDT gehen. Der Sagenheld betritt das mächtige Schiff und die epische Reise beginnt.

    Eine große Menge von persönlichen Datensätzen sind offensichtlich entscheidend für den Betrieb des PDT, ein PDT ohne Daten existiert nicht. Eine aktuelle Übersicht, wie diese Daten technologisch erhoben und weiterverarbeitet werden, liefert der Artikel „Die letzte Bastion – Der menschliche Körper als Technologieplattform“.

    In dieser Konstellation ist die Vertrauensbasis zwischen der physischen Person und der Einrichtung, die die persönlichen Datensätze erhebt und verwaltet, essentiell.

    Aus diesem Grund hat die EU eine Reihe von Richtlinien und Verordnungen zum Schutz von Daten erlassen. Die EU-Datenschutzverordnung (EU Data ACT) zielt darauf ab, mehr Daten für gesellschaftliche und wirtschaftliche Vorteile verfügbar zu machen. Die DSGVO und das Daten-Gesetz können als Berücksichtigung entgegengesetzter Bedürfnisse betrachtet werden: Auf der einen Seite steht der Schutz und die Geheimhaltung von Daten, während auf der anderen Seite die Nutzung und die gemeinsame Nutzung von Daten im Fokus stehen.

    Kenner des aktuellen Entwurfs des WHO-Pandemievertrags wissen, dass in der neuen Normalität der Begriff des persönlichen Gesundheitsschutzes untrennbar mit dem Schutz vor Pandemien verbunden ist. Wie PDTs bei der Bekämpfung einer Pandemie eingesetzt werden können und wie der Umgang mit persönlichen Daten aussieht, wird mit einfachen Worten von Prof. Saracco in diesem Videoausschnitt erklärt.

    Excerpt from the Webinar „Digital Twins and Personal Digital Twins in Pandemic Monitoring and Control”

    In diesem Szenario tauscht der PDT gesundheitsrelevante Daten mit der physischen Person aus und mit den Gesundheitsbehörden alias der staatlichen Autorität. Die staatliche Autorität bestimmt, wie die jeweiligen Daten im Kontext des aktuellen Pandemiegeschehens behandelt werden sollen und welche Konsequenzen sich daraus für die physische Person ergeben. Erfahrungsgemäß werden bestimmte Verhaltensregeln staatlich verordnet. Solange die physische Person sich an diese Regeln hält, bleibt sie „anonym“, i.e. die Privatsphäre wird berücksichtigt. Die „Anonymität“ verschwindet, sobald sich die Person nicht an die staatlich definierten Regeln hält. (Es erfolgt ein Eingriff in die Privatsphäre). In dieser Konstellation wird die physische Person mit Hilfe des PDT im 24/7 Modus überwacht und gegebenenfalls konditioniert.

    Die Ambitionen, eine physische Person durch PDTs widerzuspiegeln, reichen weit über den Gesundheitssektor hinaus. Wie weit kann und will man gehen?

    Die Diskussionen im Rahmen des MyDT-Projektes der EU-Kommission werden in erster Linie von der bereits verfügbaren und weiterwachsenden „Datenlandschaft“ der physischen Person gelenkt. Diese ist in Abb.1 schematisch dargestellt.

    Abb. 1: Die Datenlandschaft, die potenziell Teil des Personal Digital Twins sein kann. Bildquelle: Forum Virus Helsinki

    Man beachte, dass nur ein kleiner Teil der Daten von der Person selbst generiert und erfasst werden (Selbstmessung). Die meisten Daten entstehen durch die Interaktion der Person mit ihrer Umgebung und werden von verschiedenen Institutionen erfasst.

    In der Tat hinterlassen die meisten unserer Interaktionen mit Dritten heutzutage digitale Spuren, die einige der beteiligten Institutionen in ihren Kundendaten aufzeichnen. Beispielsweise beim Einkaufen im Supermarkt und online, bei Banktransaktionen, beim Ansehen von Filmen auf Netflix, bei der Buchung eines Hotels, beim Kauf von Zug- oder Flugtickets, beim Zugriff auf öffentliche Dienstleistungen oder beim Besuch eines Arztes. Inwieweit die resultierende digitale Spur für die Erstellung eines persönlichen digitalen Zwillings verwendet wird, hängt von der Komplexität der Analyseverfahren der bestehenden Datensätze ab. Mit Hilfe von KI-Modellen hat man bereits heute den Stand erreicht, in nahezu allen Bereichen ein umfassendes Profil unserer Person im Hintergrund zu erstellen. Dieses Profil kann zur Vorhersage zukünftiger Bedürfnisse verwendet werden und/oder dazu dienen, diese Bedürfnisse anzuregen oder zu steuern. Diese wachsende Raffinesse bei der Analyse und Verwaltung persönlicher Datensätze bringt uns dem Konzept eines digitalen Zwillings immer näher. Es handelt sich um einen „persönlichen“ digitalen Zwilling in dem Sinne, dass er unsere Person (Gewohnheiten, Geschichte, zukünftiges Verhalten) widerspiegelt, aber er ist nicht „persönlich“ in dem Sinne, dass er mir gehört – ich habe im Grunde keine Kontrolle über diesen Pseudo-Digitalzwilling. [Personal Digital Twins]

    Eine Analyse des EU AI-ACT (EU-Verordnung zur Festlegung harmonisierter Regeln für künstliche Intelligenz) zeigt, dass die EU-Kommission den Einsatz von sogenannten Hochrisiko-KI-Systemen in fast allen Bereichen des Alltags voraussetzt. Damit sollen die Aktionen jedes Individuums engmaschig von KI-Systemen erfasst, überprüft und bewertet werden. Im Ergebnis wird dann mehr oder weniger über sein „Schicksal“ (Ausbildung, Beruflicher Werdegang, Zugang zu Dienstleistungen und finanziellen Mitteln, Bewegungsfreiheit, Rechtschutz, Strafverfolgung, usw.) entschieden.

    Abb. 2: Einsatzgebiete von Hochrisiko-KI-Systemen. [Der AI-Act – wie die KI vertrauenswürdig wird]

    Damit sollte die Frage „Wie weit kann und will man gehen?“ beantwortet sein.

    Laut Prof. Roberto Saracco hat die Expertengruppe des MyDT-Projektes viele Anwendungen im Blick. Es besteht Einigkeit darüber, dass eine europäische Maßnahme die Akzeptanz und Verbreitung von PDTs fördern und ihre Nutzung als Teil des Internets der Menschen (IoP) im Gesundheitswesen unterstützen kann, einschließlich der Überwachung und Kontrolle von Epidemien. Dieser Bereich soll den Weg für Anwendungen in intelligenten Städten, E-Government usw. bereiten.

    Zum gegenwärtigen Zeitpunkt befinden sich bereits generierte PDTs unter der weitreichenden Kontrolle durch den jeweiligen Anbieter (mit seinen eigenen Interessen). Dennoch sind sie wichtig, da sie dazu beitragen werden:

    • Eine Kultur zu schaffen, in der das Smartphone als Erweiterung der Person genutzt wird;
    • Dienste über den PDT verfügbar zu machen;
    • Andere Unternehmen dazu anzuregen, ähnliche Dienste über einen PDT anzubieten.

    Auf der einen Seite steuert diese Entwicklung auf die Koexistenz mehrerer (vieler) PDTs zu, was möglicherweise Verwirrung stiften kann. Auf der anderen Seite könnte sie Unternehmen dazu motivieren, einen integrierten PDT als Bündel bestehender, sektorenspezifischer PDTs für diese Person anzubieten.

    Perspektivisch können wir annehmen, dass die vielen PDTs, die im Laufe der Zeit erstellt werden, um spezifische Aspekte einer Person darzustellen, sich zu einem aggregierten PDT vereinen werden. In den kommenden zehn Jahren und darüber hinaus, prophezeit Prof. Saracco, kann man davon ausgehen, dass jede Person einen digitalen Gegenpart haben wird – einen persönlichen digitalen Zwilling, der während der Schwangerschaft „geboren“ wird (indem Daten aus den Untersuchungen der Mutter gesammelt werden) und während des gesamten Lebens der Person weiter wächst. Dieser PDT wird die vollständige digitale Persönlichkeit repräsentieren und kann verwendet werden, um Daten zu einem bestimmten Zeitpunkt und für vorab autorisierte Institutionen zu teilen, die die Erlaubnis (und Notwendigkeit) zum Zugriff haben, unter der Kontrolle der physischen Person. [Personal Digital Twins]

    Erinnern wir uns daran, dass der digitale Zwilling auf einen wechselseitigen Informationsfluss mit dem zu emulierenden Objekt ausgelegt ist. Es erfolgt ein bidirektionaler Austausch von Daten. Er kann als eine Schnittstelle zwischen der physischen Person und diversen KI-Systemen betrachtet werden, die wiederum von privaten bzw. staatliche Institutionen betrieben bzw. kontrolliert werden. Einerseits werden die Daten, die zu der Generierung von PDTs erfasst werden, auch zum Trainieren und zur weiteren Entwicklung von KI-Systemen verwendet. Andererseits können KI-Systeme durch die Analyse und Verarbeitung dieser digitalen Repräsentation personalisierte Empfehlungen, Assistenz oder sogar Vorhersagen bereitstellen, die auf den individuellen Merkmalen und Verhaltensweisen einer Person basieren.

    In Krisensituationen können PDTs zur „passiven Überwachung“ sowie zur „aktiven Konditionierung“ der physischen Person beitragen. Ein Beispiel diesbezüglich wurde in dem Videobeitrag von Prof. Saracco allgemeinverständlich veranschaulicht. Wenn einmal die Infrastruktur etabliert ist, kann sie an die jeweilige Krisensituation mit allen für das Individuum resultierenden Restriktionen und Konsequenzen zeitnah angepasst werden. Vergessen wir nicht, dass die nächste Dekade voller globaler Risiken ist.

    Inwieweit PDTs in „Good Cop – Bad Cop” Szenarien eingesetzt werden, hängt in erster Linie vom Demokratieverständnis der staatlichen Machtinstitutionen ab. Einige, die hinter dem damaligen „eisernen Vorhang“ aufgewachsen sind, kennen den Spruch: „Man versteht, dass man in einer Diktatur lebt, wenn man dagegen ist“. Die Zukunft wird es zeigen.

    Mit steigender Leistungsfähigkeit der KI-Systeme kann man erwarten, dass die Interaktionen zwischen dem PDT und der physischen Person in der Zukunft komplexer werden.

    Ein Personal Digital Twin kann als Versuch betrachtet werden, die physische Identität in der digitalen Sphäre widerzuspiegeln. Er repräsentiert eine digitale Darstellung verschiedener Aspekte unseres Lebens, darunter persönliche Informationen, soziale Verbindungen und Verhaltensmuster. Durch diese komplexe Spiegelung (Selbstreflexion) ermöglicht es dem Individuum, zusätzliche Perspektiven bei der Auseinandersetzung mit der Frage ‚Wer bin ich?‘ zu gewinnen.

    Wenn Personal Digital Twins für personalisierte Dienste und künstliche Intelligenz eingesetzt werden, entsteht eine tiefgreifende philosophische Frage bezüglich Autonomie und Selbstbestimmung. In welchem Maße können digitale Repräsentationen unser Verhalten vorhersagen oder beeinflussen, und inwiefern behalten wir die Kontrolle über unsere digitale Identität?

    In der philosophischen Betrachtung gewinnen ethische Überlegungen zu Identität und Privatsphäre zunehmend an Bedeutung. Der Einsatz von Personal Digital Twins wirft komplexe Fragen auf, die den Schutz persönlicher Daten, das Recht auf Privatsphäre und die ethische Verantwortung im Umgang mit digitalen Identitäten betreffen.

    Philosophisch betrachtet wirft die Idee des Personal Digital Twin die Frage nach der Natur und den Grenzen des Selbst auf. Inwiefern vermag eine digitale Repräsentation unsere tatsächliche Identität zu erfassen? Die Schaffung eines Personal Digital Twin kann als Versuch interpretiert werden, das Selbst über die physische Realität hinaus zu erweitern, indem es digitalisiert und in Algorithmen übersetzt wird. Diese digitale Erweiterung des Selbst entspricht transhumanistischen Visionen.

    Inwieweit es der EU-Kommission gelingt, Rahmenbedingungen für „Personal Digital Twin Governance“ zu etablieren, die die oben gelistete Komplexität einigermaßen abbildet, bleibt abzuwarten. Prof. Saracco äußert sich zu dem Thema wie folgt:

    „Ich besitze keine Glaskugel, aber wenn ich eine Vorhersage treffen müsste, denke ich, dass die Entwicklung eher von unten nach oben erfolgen wird als umgekehrt. Es ist unwahrscheinlich, dass eine Institution (wie die EU) die Evolution von PDTs vorschreiben und steuern wird. Es ist viel wahrscheinlicher, dass mehrere Unternehmen Dienstleistungen anbieten werden, die zur Schaffung/Annahme von PDTs für Menschen führen. Andere Unternehmen werden Werkzeuge bereitstellen, um fragmentierte PDTs in eine einzige Einheit zu integrieren, die mit einem allgemeinen Rahmen konform sein kann (dies könnte durch die Arbeit auf internationaler Standardisierungsebene entstehen), der einige Merkmale haben kann, die von einer Organisation wie der EU reguliert werden.“ [Personal Digital Twins]

    Das scheint zweifellos ein vielversprechender Plan zu sein, nicht wahr? Aktuell lässt sich jedoch mit Sicherheit feststellen, dass der Weg zur „transzendenten Unsterblichkeit“ noch weitgehend unerforscht ist. Die Anfänge dieser Reise markieren Individuen, deren Daten durch Personal Digital Twins offengelegt werden. Diese Reise wird vermutlich nicht linear verlaufen, und es besteht die reale Gefahr, dass sie in den Stillstand eines „digitalen Gulags“ gerät. Der Personal Digital Twin wird voraussichtlich weiterhin als effektives technologisches Instrument dienen, das biopolitische Machttechniken nach dem Prinzip von „Zuckerbrot und Peitsche“ durchsetzt.

    Während wir kontinuierlich digitale Spuren hinterlassen, die von unseren Personal Digital Twins aufgezeichnet werden, könnte es sinnvoll sein, die traditionelle philosophische Frage „Wer bin ich?“ weiterhin auf herkömmliche Weise zu reflektieren.

    Quellen (Stand vom 19.12.2023)

    The Personal Digital Twin

    Do you want to live forever?

    Self-reflection and the quest for the essence of one’s own existence are central themes that have preoccupied humanity throughout history. In philosophy, the question „Who am I?” becomes a fascinating and complex puzzle that explores not only our identity but also the foundations of our thinking and being. When we contemplate ourselves, we encounter a multitude of layers, ranging from biological factors to psychological processes and social influences. The complexity of grappling with this fundamental question is outlined in the short lesson by Amy Adkins, „Who Am I? A Philosophical Inquiry”.

    According to Adkins, this question could perhaps also be answered with „I am a legendary hero sailing a powerful ship on an epic journey”.

    Metaphorically speaking, the modern technologies of the fourth industrial revolution represent a powerful ship. The digitization of all aspects of our daily lives has become a megatrend, comparable to an epic journey.

    The relationship between digitization and philosophy is complex and involves various aspects of human existence, society, and ethics.

    „The fact that digitalization is impacting society like no other development to date means that, among other things, the question of the relationship between humans and machines and the distinction between the two will increasingly arise in the future. The assumption that a machine or technical device is merely a neutral aid also falls short and, in the worst case, can be trivializing, because „it has a life of its own that we have built into it.” In the words of philosopher Günter Anders, the difference between technical and social entities is becoming ever smaller until at some point it becomes completely obsolete. Nevertheless, the human being still differs from the machine primarily through the mind,”writes Thorina Lepak in her article Ethics and the Human Being: Digitalization requires Philosophy.

    Digitization influences our identity in various ways, whether through social media, the management of personal data, or the creation of digital representations such as digital twins.

    According to the technology company THALES – Digital twins: How virtual models are helping companies improve efficiency and cut costs | Thales Group – 70 percent of executives in the technology industry are preparing to invest in digital twin technologies. But what makes this technology so great?

    The management consulting firm McKinsey describes the term „digital twin” as follows:

    „A digital twin is a digital representation of a physical object, person, or process, contextualized in a digital version of its environment. Digital twins can help an organization simulate real situations and their outcomes, ultimately allowing it to make better decisions.”

    The following example is provided for illustration purposes. [Digital twins: How virtual models are helping companies improve efficiency and cut costs | Thales Group]:

    Assuming the focus of a digital twin is a wind turbine equipped with sensors to gather information on energy output, temperature, vibrations, weather conditions, and similar parameters. Once these data are available, the digital twin enables simulations to analyze performance issues and develop potential improvement suggestions. Ultimately, the insights gained can be applied to the actual turbine to optimize its performance.

    The following key Digital Twin technology features should be emphasized:

    • A digital twin, as a complete replica, strives to reproduce all aspects of a system in detail.
    • The digital twin is designed for a two-way flow of information with the object to be emulated, whereby a bidirectional exchange of real-time data takes place.
    • Digital twins help to understand what is currently happening. This enables them to resolve problems in real time and optimize the performance of the real object.

    Today, companies in a wide range of industries have opted for digital twins because they can shorten development times, reduce costs and increase efficiency. Digital twin technology is already being used in the following industry segments [What is a digital twin? | IBM]:

    • Automotive industry,
    • Mechanical engineering,
    • Energy sector,
    • Manufacturing operations,
    • Healthcare services,
    • Urban planning.

    The THALES experts pose the rhetorical question:

    „If a digital twin can successfully emulate a wind turbine, can it eventually move beyond the industrial context?”

    Many experts are convinced that this vision is achievable, and indeed, some of them are already working on highly ambitious applications. The assessment suggests that personal digital twins could become an everyday reality by the end of the decade – with significant impetus coming from the healthcare sector. Former CEO of General Electric, Bill Ruh, for instance, predicts that every person will be equipped with a digital twin from birth. This digital twin will leverage the individual’s genome to provide personalized treatment recommendations as soon as diseases occur. [Digital twins: How virtual models are helping companies improve efficiency and cut costs | Thales Group]

    The fact that the Personal Digital Twin is more than just a vision is demonstrated by the circumstance that in 2020, the European Commission’s Joint Research Center (JRC) launched the project „MyDigitalTwin: Trusted Personal Digital Twins in a Transformed Society”. The information available on the Internet about this project is sparse. This link provides the following general information:

    „MyDigitalTwin (MyDT) project aims to study how to utilize, supervise, and control the rapidly growing generation of personal data via PDTs, and PDT role in understanding complex/fast societal dynamics. The study wants to explore the challenges related to ethics and privacy, and the opportunities to move the existing PDT frameworks from a Business–to–Customer (B2C) to a Government–to–Citizen (G2C) context. Finally, MyDT will consider the PDT role for a European e–Identity.“

    Further information on the EU Commission’s MyDigitalTwin (MyDT) project can be found in the eBook by Prof. Roberto Saracco entitled „Personal Digital Twins – A third evolution step of humankind?”. Prof. Saracco is not only one of the chairs of the IEEE Digital Reality Initiative, but also an active participant in the expert working group of the MyDT project.

    The MyDT project considers Personal Digital Twins as a new technological advantage by creating a digital persona for all citizens – their alternative digital self.

    Apparently, the EU Commission considers PDTs to be mature enough to be considered at EU level. In its statement on why the EU should now consider PDTs, the following points are made:

    • Digital twins are a fundamental element of the digital transformation of society. They play a crucial role in virtualization, data collection, and connectivity.
    • The Covid-19 pandemic has further increased the volume of personal data (now in the exabyte range), thus creating the framework that unites the digital and physical space through the pattern of the „digital twin”.
    • Data and its ability to be utilized by both institutions and individual citizens are indispensable for the strategies of green/digital transformation and the Next Generation EU.

    The MyDT-project is linked to various activity areas within the EU framework, such as the Data Free Flow, European Database, AI Regulatory Framework, e-Identity, BARDA, GDPR, Green Deal Strategy.

    To what extent should the PDT reflect the physical person?

    This essentially depends on what is expected from the PDT. Currently, the use of PDTs is advocated in healthcare. A PDT designed for such a purpose would reflect physiological aspects of the person with a multitude of details (weight, height, gender, heartbeats, respiratory rate, metabolism, etc.) and may encompass various other health-related data (genome sequence, allergies, living environment, parental pathologies, occupational risks, etc.).

    This promotional video „Forward CarePod™, the World’s First AI Doctor’s Office” by the US company GoForward demonstrates how quickly this can now be implemented in practice.

    Google recently unveiled MedLM, a series of specialized generative AI models for the healthcare sector. According to Google, the performance of these AI models is equivalent to that of a medical specialist.

    With the promise of personal 360-degree comprehensive health protection around the clock, 365 days a year, the majority of the population will voluntarily take the first step towards a PDT. The legendary hero boards the powerful ship, and the epic journey begins.

    A large amount of personal data sets are obviously crucial for the operation of the PDT; a PDT without data does not exist. The article „The last bastion – The human body as a technology platform” provides an up-to-date overview of how this data is collected and processed technologically.

    In this constellation, the basis of trust between the natural person and the institution that collects and manages the personal data records is essential.

    For this reason, the EU has issued a series of directives and regulations to protect data. The EU Data Protection Regulation (EU Data ACT) aims to make more data available for societal and economic benefits. The GDPR and the Data Act can be seen as addressing opposing needs: on one hand, the protection and confidentiality of data, while on the other, the focus is on the utilization and sharing of data.

    Those familiar with the current draft of the WHO pandemic treaty will know that in the new normal, the concept of personal health protection is inextricably linked to protection against pandemics. How PDTs can be used in combating a pandemic and how personal data is handled is explained in simple terms by Prof. Saracco in this video excerpt.

    Excerpt from the Webinar „Digital Twins and Personal Digital Twins in Pandemic Monitoring and Control”

    In this scenario, the PDT exchanges health-related data with the physical person and with the health authorities, aka the state authority. The state authority determines how the respective data should be handled in the context of the current pandemic and what consequences this has for the physical person. Typically, certain behavioral rules are mandated by the state. As long as the physical person adheres to these rules, they remain „anonymous”, i.e. their privacy is respected. „Anonymity” disappears when the person does not adhere to the state-defined rules (there is an intrusion into privacy). In this constellation, the physical person is monitored 24/7 with the help of the PDT and conditioned if necessary.

    The ambitions to reflect a physical person through PDTs extend far beyond the healthcare sector. How far can and should one go?

    The discussions within the framework of the EU Commission’s MyDT project are primarily guided by the already available and growing „data landscape” of the physical person. This is shown schematically in Fig. 1.

    Fig. 1: The data landscape that can potentially be part of the personal digital twin.
    Image source: Forum Virus Helsinki

    Note that only a small portion of the data is generated and captured by the person themselves (self-measurement). Most data is generated through the person’s interaction with their environment and is collected by various institutions.

    In fact, most of our interactions with third parties today leave digital traces that some of the institutions involved record in their customer data. For example, when shopping at the supermarket and online, conducting bank transactions, streaming movies on Netflix, booking a hotel, purchasing train or flight tickets, accessing public services, or visiting a doctor. The extent to which the resulting digital footprint is used for creating a personal digital twin depends on the complexity of the analysis methods applied to existing datasets. With the help of AI models, today we have reached the point where a comprehensive profile of our person is silently created in the background across almost all domains. This profile can be used to predict future needs and/or to stimulate or control these needs. This growing sophistication in analyzing and managing personal data sets brings us ever closer to the concept of a digital twin. It is a „personal” digital twin in the sense that it reflects who we are (habits, history, future behavior), but it is not „personal” in the sense that it belongs to me – I basically have no control over this pseudo digital twin. [Personal Digital Twins]

    An analysis of the EU AI ACT (EU Regulation on establishing harmonized rules for artificial intelligence) reveals that the EU Commission envisions the deployment of so-called high-risk AI systems in almost all aspects of daily life. This aims to closely monitor, assess, and evaluate the actions of each individual through AI systems. Consequently, more or less, decisions about one’s „fate” (education, career, access to services and financial resources, freedom of movement, legal protection, law enforcement, etc.) will be determined.

    Fig. 2: Application Areas of High-Risk AI Systems. [Der AI-Act – wie die KI vertrauenswürdig wird]

    This should answer the question, „How far can and should one go?”

    According to Prof. Roberto Saracco, the expert group of the MyDT project has a broad range of applications in mind. There is consensus that a European initiative can promote the acceptance and dissemination of PDTs, supporting their use as part of the Internet of People (IoP) in healthcare, including the monitoring and control of epidemics. This sector is intended to pave the way for applications in smart cities, e-government, and so on.

    At the present time, already generated PDTs are under the extensive control of the respective provider (with its own interests). Nevertheless, they are important as they will contribute to:

    • Creating a culture where the smartphone is used as an extension of the person;
    • Making services available through the PDT;
    • Encouraging other companies to offer similar services via a PDT.

    On one hand, this development is heading towards the coexistence of multiple PDTs, which could potentially cause confusion. On the other hand, it might motivate companies to offer an integrated PDT as a bundle of existing, sector-specific PDTs for that individual.

    From a perspective, we can anticipate that the numerous PDTs created over time to represent specific aspects of an individual will converge into an aggregated PDT. In the coming decade and beyond, as predicted by Prof. Saracco, it is expected that each person will have a digital counterpart—a personal digital twin „born” during pregnancy (by collecting data from the mother’s examinations) and continuing to grow throughout the person’s entire life. This PDT will represent the complete digital personality and can be used to share data at a specific point in time and for pre-authorized institutions that have permission (and necessity) to access it, under the control of the physical person. [Personal Digital Twins]

    Let’s recall that the digital twin is designed for a mutual flow of information with the object being emulated. There is a bidirectional exchange of data. It is functioning as an interface between the physical person and various AI systems, in turn operated or controlled by private or governmental institutions. On one hand, the data collected for generating PDTs is used for training and further development of AI systems. On the other hand, through the analysis and processing of this digital representation, AI systems can provide personalized recommendations, assistance, or even predictions based on the individual characteristics and behaviors of a person.

    In crisis situations, PDTs can contribute to both „passive monitoring” and „active conditioning” of the physical person. An example of this was clearly illustrated in the video by Prof. Saracco. Once the infrastructure is established, it can be promptly adapted to the specific crisis situation, including all resulting restrictions and consequences for the individual. Let’s not forget that the next decade is full of global risks.

    The extent to which PDTs are used in „Good Cop – Bad Cop” scenarios depends primarily on the state institutions‘ understanding of democracy. Some people who grew up behind the former „iron curtain” know the saying: „You understand that you are living in a dictatorship if you are against it”. The future will reveal it.

    As the performance of AI systems increases, it can be expected that interactions between the PDT and the physical person will become more complex in the future.

    A Personal Digital Twin can be seen as an attempt to reflect physical identity in the digital sphere. It represents a digital representation of various aspects of our lives, including personal information, social connections and behavioral patterns. Through this complex mirroring (self-reflection), it enables the individual to gain additional perspectives in addressing the question „Who am I?”

    When personal digital twins are used for personalized services and artificial intelligence, a profound philosophical question arises regarding autonomy and self-determination. To what extent can digital representations predict or influence our behavior, and to what extent do we retain control over our digital identity?

    In philosophical contemplation, ethical considerations regarding identity and privacy are gaining increasing significance. The use of Personal Digital Twins raises complex questions that pertain to the protection of personal data, the right to privacy, and the ethical responsibility in handling digital identities.

    Philosophically, the concept of the Personal Digital Twin raises questions about the nature and limits of the self. To what extent can a digital representation capture our actual identity? The creation of a Personal Digital Twin can be interpreted as an attempt to extend the self beyond physical reality by digitizing and translating it into algorithms. This digital extension of the self aligns with transhumanist visions.

    The extent to which the EU Commission succeeds in establishing a framework for „Personal Digital Twin Governance” that somewhat reflects the complexity listed above remains to be seen. Professor Saracco expresses his views on the matter as follows:

    „I do not have a crystal ball, but if I had to make a prediction, I think that the evolution will be bottom up rather than top down. It is unlikely that an institution (like the EU) will dictate and steer the evolution of PDTs. It is much more likely that several companies will offer services that result in the creation/adoption of PDTs of people. Other companies will provide tools to integrate fragmented PDTs into a single entity that can be compliant with a general framework (this one could well be the result of work at an international standardization level) that can have some characteristics regulated by a body such as the EU.“ [Personal Digital Twins]

    That certainly seems like a promising plan, doesn’t it? At present, however, it is safe to say that the path to „transcendent immortality” is still largely unexplored. The beginnings of this journey are marked by individuals whose data is revealed through personal digital twins. This journey is unlikely to be linear, and there is a real danger that it will end up in the gridlock of a ‚digital gulag‘. The Personal Digital Twin is likely to continue to serve as an effective technological tool that enforces biopolitical power techniques on a ‚carrot and stick‘ basis.

    While we continuously leave digital traces that are recorded by our personal digital twins, it might be useful to continue reflecting on the traditional philosophical question „Who am I?” in a conventional way.

    Sources (as of 19.12.2023)

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  • Die letzte Bastion: Der menschliche Körper als Technologieplattform

    Die letzte Bastion: Der menschliche Körper als Technologieplattform
    to the English version …

    „Es ist so bequem, unmündig zu sein. Habe ich ein Buch, das für mich Verstand hat, einen Seelsorger, der für mich Gewissen hat, einen Arzt, der für mich die Diät beurteilt, usw., so brauche ich mich ja nicht selbst zu bemühen.“
    Immanuel Kant (1724 – 1804), deutscher Philosoph

    Man hat bereits vor 10 Jahren prognostiziert, dass die Ära des Personal Computings, repräsentiert durch Desktop-Computer und Laptops, in die Ära des Intimate Computings übergehen wird. Man hat prophezeit, dass noch vor 2020 „intime Geräte“, Umgebungen und Netzwerke sehr viel über uns wissen werden. Das ultimative Schlagwort heißt „Smartness“ – Smart Phone, Smart Watch, Smart TV, Smart Home, Smart Grid, Smart City. Die Wearables – die kleinen Computersysteme, die direkt am Körper getragen werden – sind ein wesentliches Element in diesem Puzzle.

    Dass man diese Entwicklung ernst nehmen sollte, zeigt sich in dem Informationspapier des World Economic Forums (WEF) vom Juli 2020 mit dem Titel: „Gestaltung der Zukunft des Internets der Körper: Neue Herausforderungen der Technologie-Governance“. Laut der Autoren des Dokuments haben „die jüngsten technologischen Fortschritte eine neue Ära des Internets der Körper (IOB = Internet of Bodies) eingeläutet, in der eine noch nie dagewesene Anzahl von vernetzten Geräten und Sensoren am menschlichen Körper angebracht oder sogar implantiert und in den Körper aufgenommen wird. Dies hat den menschlichen Körper in eine Technologieplattform verwandelt.“

    Ganz allgemein klassifiziert das WEF die IOB-Technologien in medizinisch/nicht-medizinisch und invasiv (implantierbar)/nicht-invasiv (wearable) (siehe Abb. 1).

    Abb.1: Beispiele von IOB-Technologien [Shaping the Future of the Internet of Bodies, Seite 7]

    Kommt Ihnen die Formulierung “Der menschliche Körper als Technologieplattform“ etwas abstrakt und abgehoben vor? Erscheint sie Ihnen etwas zu weit hergeholt?

    Bevor Sie Ihr Urteil fällen, schauen wir uns einige Details aus brandaktuellen Studien zum Thema „Wearables“ der führenden Technologieberaterfirma IDTechEx aus Cambridge an. Die Untersuchungen von IDTechEx richten sich in erster Linie an die Führungsebenen von Technologiefirmen, die sich auf verschiedene Hochtechnologiebereiche spezialisiert haben. Die Informationen stammen somit direkt von den Quellen, die solche Produkte entwickeln, produzieren und in Umlauf bringen.

    Abb.2: Der Stand der Wearable Technologie in 2023. [Prognosen für tragbare Technologien 2023-2033 – Webinar Slides]

    Die meisten von Ihnen werden sicherlich zumindest einige der in Abb. 2 dargestellten Gadgets (technischen Spielereien) erkennen. Vielleicht genießen Sie bereits die Vorzüge einiger dieser „Schnickschnacks“ oder kennen jemanden, der dies tut. Vielleicht steht die eine oder andere „technische Spielerei“ auf Ihrem Wunschzettel für Weihnachten.

    Technikaffine Menschen haben mittlerweile eine große Auswahl an Möglichkeiten, sich dem „Internet of Bodies“ anzuschließen. Egal ob man Handgelenke, Ohren, Augen, Haut oder Kopf als Schnittstelle verwendet, der Zugang wird immer leichter und erfolgt unterbrechungsfrei (siehe Abb.3).

    Abb.3: Wearables klassifiziert nach der Tragestelle [Prognosen für tragbare Technologien 2023-2033 – Webinar Slides]

    Mit der Corona-Pandemie ist das Zeitalter der „alten Normalität“ fließend in die Ära des „Great Reset“ mit all seinen Facetten und Erscheinungsformen übergegangen. In solchen Zeiten bleibt scheinbar nichts konstant und sicher, bis auf den Dauerfluss der Veränderungen. Diese Unsicherheit treibt immer mehr Menschen unter die Fittiche der pastoralen Macht der persönlichen Berater, Therapeuten und Gesundheitsexperten, deren Rolle die Wearables, Schritt für Schritt übernehmen.

    In den unsicheren Zeiten scheint diese Technik einen vertrauensvollen Zufluchtsort zu bieten. Es handelt sich um bekannte, vertraute Gegenstände, deren Handhabe keine intellektuelle Anstrengung voraussetzt. Durch ihre Verlässlichkeit und Präzision erwecken sie den Anschein, das Leben zu erleichtern und der eigenen Bequemlichkeit zu dienen. Die IDTechEx-Experten haben diese Entwicklung als treibende Kraft für die Annahme und Innovation bei den Wearables erkannt (siehe Abb. 4).

    Abb.4: Treibende Kraft für die Annahme und Innovation von Wearables [Prognosen für tragbare Technologien 2023-2033 – Webinar Slides]

    Nach dieser Logik erfordern mehr Sicherheit und noch mehr Bequemlichkeit zusätzliche erweiterte biometrische Daten. Die neuesten Entwicklungen im Bereich der Mikroelektronik, der Kommunikations-, Sensor- und Batterietechnologien sowie im Bereich der künstlichen Intelligenz bieten die perfekten technologischen Rahmenbedingungen dafür.

    In dem WEF-Leitbericht „Top 10 der aufkommenden Technologien des Jahres 2023“ wird der Fokus unter anderem auf folgende Entwicklungen gelegt:

    • Flexible Batterien – Stromversorgung für tragbare Technologien für das Gesundheitswesen und E-Textilien;
    • Generative künstliche Intelligenz – Ausweitung der Grenzen der menschlichen Bemühungen;
    • Metaverse für die psychische Gesundheit – Gemeinsame virtuelle Räume zur Verbesserung der psychischen Gesundheit;
    • Flexible neuronale Elektronik – Besser entwickelte Schaltkreise als Schnittstelle zum Nervensystem;
    • KI-unterstützte Gesundheitsversorgung – Neue Technologien zur Verbesserung der Effizienz der Gesundheitssysteme.

    Wie das maschinelle Lernen bereits eingesetzt wird, um aus der Flut von Sensordaten Kennzahlen von Interesse zu erzeugen, wird in der Abb. 5 grafisch dargestellt.

    Abb.5: Einsatz von maschinellem Lernen bei der Verarbeitung von Sensordaten von Wearables [Prognosen für tragbare Technologien 2023-2033 – Webinar Slides]

    Die künstliche Intelligenz und die Wearables gehen eine symbiotische Beziehung ein. Durch die Flut von biologischen, chemischen und anderen Sensordaten werden die KI-Algorithmen immer weiter verfeinert. Diese wiederum ermöglichen Früherkennung/frühzeitige Diagnosen, Vorsorge-, bzw. personalisierte/maßgeschneiderte Medizin. Man muss gestehen, dass diese Konstellation eine enorme verführerische Kraft auf die meisten Menschen in allen Altersgruppen und sozialen Schichten ausüben kann.

    Die Technologie- und Marketingberater von IDTechEx skizieren die weitere Evolution der Wearables als perfektes Instrument für die Sammlung von großen Datenmengen.

    Abb. 6: Wearables als ideale Werkzeuge für die Sammlung großer Datensätze [Prognosen für tragbare Technologien 2023-2033 – Webinar Slides]

    Neben den „herkömmlichen“ biometrischen und Lebensstilldaten sowie der Spracherkennung sieht die evolutionäre Vision der Technologieexperten die Einbeziehung von Gehirn-Computer-Schnittstellen bei der Datenerfassung vor. Und das ist nicht alles. Die Daten werden in Relation mit Regierungs- und Gesundheitsakten, sowie Finanzstatusberichten und Informationen aus den individuellen Wohnverhältnissen gebracht (vom Autor in Abb. 6 rot markiert).

    Anfang November hat die EU-Kommission die Einführung des Europäischen „Digital Identity Wallet“ beschlossen. Reisepass, Führerschein oder ärztliche Verschreibungen: Alltagsrelevante Dokumente sollen EU-Bürger künftig im „European Digital Identity Wallet“ speichern. Mehr Informationen zu diesem Thema kann man in dem Beitrag „Die Europäische Digitale ID – You´ll Never Walk Alone“ finden. Die elektronische Patientenakte wird ab Ende 2024 für alle Bundesbürger verbindlich.

    Die meisten Banktransaktionen erfolgen heutzutage bereits digital. Die Kommunikation in den Sozialen Medien ist per se digital. Und je mehr die Wohnung „smart“ wird (Intelligente Zähler, Smart TV, Smarte Möbel und Küchengeräte, usw.), desto größer der individuelle digitale Fußabdruck.

    Die Chancen, dass Ihre Gedanken und Finanzdaten zusammen mit Ihrem Social Media Verhalten analysiert werden und in Relation mit entsprechenden Regierungsakten bzw. Gesundheitsakten gebracht werden, stehen ziemlich gut. Inwieweit Ihr Energieverbrauch, den Ihr Smart Meter berichtet, einen Einfluss auf Ihre maßgeschneiderte medizinische Vorsorge hat, hängt von den Einstellungen des KI-Algorithmus ab. Aber nun Spaß beiseite. Durch die Verwendung von KI-Algorithmen sind die Auswertemöglichkeiten der „Rohdaten“ praktisch unbegrenzt (siehe Abb. 7).

    Abb.7: Wie KI den Wert von Wearable Data noch weiter steigern könnte? [Prognosen für tragbare Technologien 2023-2033 – Webinar Slides]

    „KI könnte die Nutzung mehrerer großer Datensätze ermöglichen, sie interpretieren und kontextualisieren und Lösungen ermöglichen, die gleichzeitig dem Bedürfnis nach gesundheitlicher Sicherheit und wirtschaftliche Sicherheit angehen – und letztlich die Lebensqualität verbessern.“ – argumentieren die Autoren der IDTechEx-Studie.

    Die Experten kommen zu der Schlussfolgerung, dass „KI die Fähigkeiten von Wearables verbessern kann, insbesondere durch die Auswertung von neuen biometrischen Daten und Brain Computer Schnittstellen. Wearables sind ein effizientes Mittel zur Sammlung großer Datensätze, mit denen neue KI-Tools trainiert werden können. Die Daten von Wearables können in einem Ökosystem anderer Datenquellen im Kontext genutzt werden, um mittelfristig bessere Werkzeuge für das Gesundheitsmanagement und langfristig für die erweiterte Realität (Augmented Reality) zu entwickeln.“

    Mich macht so eine Entwicklung nachdenklich. Und Sie?

    Der IDTechEx-Bericht prophezeit, dass das Marktvolumen für Wearables bis zum Jahr 2033 die Summe von 161 Milliarden USD erreichen wird. Hirnforscher behaupten seit langem, dass „beim Geld der Verstand aussetzt“. Dies gepaart mit der Silicon-Valley-Ideologie und ihrem unerschütterlichen und unbegrenzten Glauben an die Möglichkeiten der Technik einerseits und der Überzeugung, dass nur mithilfe von Technik die Hervorbringung eines „besseren“ Menschen möglich ist, erzeugt eine lawinenähnliche Triebkraft, die kaum noch zu bändigen ist.

    Der Beweis, dass IDTechEx den Markt genau kennt und dessen Entwicklung voraussagen kann, folgt nur wenige Tage nach dem Erscheinen ihrer Wearable-Studie. Der Humane AI PIN von Humane, einem Start-up-Unternehmen, das von zwei ehemaligen Apple-Mitarbeitern gegründet wurde und inzwischen von Sam Altman, Microsoft, Qualcomm Ventures und anderen großen Namen finanziert wird, hat offiziell das Licht der Welt erblickt.

    Dieses innovative Gadget sorgt bereits wenige Tage nach dem Annoncieren weltweit in den Medien für Furore und wird bereits als der nächste „Game Changer“ nach dem Smartphone bezeichnet. Die Werbung für die Humane AI PIN wirkt auf den ersten Blick sehr überzeugend.

    [Quelle: https://hu.ma.ne/]

    In der Form einer elektronischen Brosche verwandelt der HUMANE AI PIN generative KI-Tools wie ChatGPT4 in „Künstliche Intelligenz To Go“, die man direkt an der Bekleidung fast unauffällig trägt und mit der man in einer für den Menschen natürlichen Art und Weise durch Sprache, Berührung und Gestik kommuniziert. Der AI PIN kann sehen, hören, sprechen und vor allem mit einer aktuell ChatGPT4 äquivalenten Performance „denken“.

    Durch die Verflechtung der kognitiven Fähigkeiten des Benutzers und der Kapazitäten des Gerätes entsteht eine „Intimität“, eine unbewusste „Man-Machine-Symbiosis“, ein „Augmented Human Intellect“. Ohne Zweifel – eine bemerkenswerte ingenieurtechnische Leistung mit gravierenden mittel- und langfristigen Folgen für die menschliche Zivilisation.

    Diesem Thema widmet sich der CEO von Humane, Imran Chaudhri, in seiner visionären Rede „The Disappering Computer – Der verschwindende Computer“ während der diesjährigen TED-Konferenz. Es lohnt sich, diese in voller Länge anzuschauen.

    Halten wir einige der Statements des kalifornischen Visionärs fest:

    „In der Zukunft wird die Technologie sowohl ambient (Anm.: an die Umgebung angepasst) als auch kontextbezogen (Anm.: an die Situation angepasst) sein.  Und das bedeutet, dass Sie KI nutzen müssen, um sich selbst und Ihre Umgebung wirklich zu verstehen und so die besten Ergebnisse zu erzielen.“

    „Und diesen Kontext gewinnen wir durch maschinelles Lernen. Je häufiger Sie unser KI-gestütztes Gerät nutzen, desto besser können WIR Ihnen in jeder Notsituation helfen. Ihre KI wird effektiv zu einer sich ständig weiterentwickelnden, personalisierten Form des Gedächtnisses. Und WIR finden das großartig.“

    „Ihre KI findet in Gedankengeschwindigkeit heraus, was Sie brauchen. Ein Gefühl, das sich mit der Weiterentwicklung der Technologie ständig weiter entwickeln wird. … Wenn die KI voranschreitet, werden WIR sehen, wie sie nahezu jeden Aspekt unseres Lebens verändern wird. Auf eine Weise, die im Moment unvorstellbar erscheint. Tatsächlich geht es Sam Altman von OpenAI so wie uns – KI wird stark unterschätzt. Und ich füge hinzu, solange WIR es richtig machen. WIR glauben wirklich, dass WIR gerade erst anfangen, an der Oberfläche dessen zu kratzen, was möglich ist.“

    „Humanere, intuitivere Interaktionen, die bildschirmlos, nahtlos und spürbar sind – das ist die Möglichkeit der Mensch-Technik-Beziehung, so wie WIR sie kennen, neu zu denken. Und das ist das Spannende. Es ist zweifellos eine große Herausforderung. Aber es ist die Welt in der WIR leben wollen. Eine Welt, in der Technologie uns nicht nur dabei hilft, wieder in die Welt zurückzukehren, sondern auch unsere Fähigkeiten dazu verbessert. Es ist in Reichweite.“

    „Die Zukunft der Technologie könnte fast unsichtbar sein.“

    Wer ist mit WIR gemeint?

    In der Investorenliste von Humane findet man folgende mehr oder weniger bekannte Namen:

    Die Mission des WEF lautet wiederum: „Das Weltwirtschaftsforum ist die Internationale Organisation für öffentlich-private Zusammenarbeit. Das Forum engagiert die führenden politischen, wirtschaftlichen, kulturellen und anderen Führungskräfte der Gesellschaft, um globale, regionale und industrielle Agenden zu gestalten.“

    In dem etwas älteren WEF-Beitrag „Fünf Wege zum Verständnis der Vierten Industriellen Revolution“ findet man fast unbemerkt folgendes Zitat von Michel Foucault: „Macht ist überall: Nicht, dass sie alles verschlingt, sondern dass sie von überall herkommt.“

    Die Widmung des globalen Machtzentrums an den französischen Philosophen Michel Foucault (1926-1984) ist nicht zufällig an dieser Stelle platziert.

    Von 1970 bis zu seinem Tod war Foucault der Inhaber des Lehrstuhls für Geschichte der Denksysteme an der Prestigeuniversität Collège de France in Paris. In seinen Werken fokussierte er sich auf Konzepte und Verfahren der Machtanalyse. Seine Arbeiten verstand er dabei als „Werkzeugkisten“. [Wikipedia: Michel Foucault]

    Zu diesen Werkzeugen gehört unter anderem das Konzept der modernen Gouvernementalität. Darunter versteht Foucaultein ganzes Bündel von Erscheinungsformen neuzeitlicher Regierungstechniken, die es gestatten, das Verhalten von Subjekten und Kollektiven als machtgesteuerte und machtdurchzogene Objekte zu überwachen und zu lenken. Er betrachtet die Gouvernementalität als Basis für das Überleben des Staates. [Wikipedia: Gouvernementalität]

    Weiterhin definiert Foucault den Begriff Bio-Macht, zunehmend auch Biopolitik genannt. Mit Bio-Macht bezeichnet er Machttechniken, die „nicht auf den Einzelnen, sondern auf die gesamte Bevölkerung abzielen“. Unter Bevölkerung versteht er „eine Gruppe, die nicht einfach nur aus vielen Menschen besteht, sondern aus Menschen, die von biologischen Prozessen und Gesetzen durchdrungen, beherrscht und gelenkt sind. Die Bevölkerung verbindet er mit verschiedenen Parametern wie „einer Geburtenrate, einer Alterskurve, einem Gesundheitszustand“, usw. [Wikipedia: Bio-Macht]

    „Das Ziel der Bio-Macht bei Foucault ist die Regulierung dieser so definierten Bevölkerung insbesondere durch die Regulierung ihrer Fortpflanzung, der Geburten- und Sterblichkeitsrate, des Gesundheitsniveaus, der Wohnverhältnisse, u.a.“ [Wikipedia: Bio-Macht]

    Im biopolitischen Sinne wird die Bevölkerung in erster Linie als „Produktionsmaschine zur Erzeugung von Reichtum, Gütern und weiteren Individuen“ betrachtet. Die Bio-Macht sorgt für Rahmenbedingungen, die der Produktionsmaschine nützlich sind. Dabei wird das Individuum nach seiner Nützlichkeit vor dem Hintergrund gesellschaftlicher Zustände bewertet. Zu diesem Zweck wird der Einzelne immer an einer Norm gemessen. Er wird an ihr ausgerichtet und muss vor ihr bestehen. [Wikipedia: Bio-Macht]

    Die biopolitische Macht zielt auf den individuellen Körper, um sein Benehmen zu disziplinieren und zu kontrollieren. Dabei bedient sie sich der Statistik, um nach den Abweichungen vom „Normalen“ zu fahnden. Dr. phil. Cornelia Mooslechner-Brüll, Lehrbeauftragte am Institut für Philosophie und am Institut für Politikwissenschaft der Universität Wien, fasst den Sachverhalt wie folgt zusammen:

    [Biopolitik und Wearables, Auszug aus dem Beitrag „Kulturtheorien: Michel Foucault und Judith Butler“]

    Die neoliberale Gouvernementalität beruht auf der digitalen Überwachung. Ohne die durch die digitale Surveillance erzeugten Daten, würde das System zusammenbrechen, sie sind sein Rohstoff und seine Währung. Die Wearables präsentieren sich als effiziente Unterstützung bei den Bemühungen, das postmoderne Individuum zu disziplinieren, zu kontrollieren und zu optimieren. Sie richten ihre Aufmerksamkeit auf das Individuum mit all seinen Wünschen, Ambitionen, Potenzialen und Schwächen. Es scheint, als stünden sie dem Individuum zur Verfügung, um ihm dabei zu helfen, ein verbessertes und erfolgreicheres Selbst zu werden. [Wearables: Kontrollregime zwischen Affekt und Technologie]

    Dabei kommen subtil die von Foucault definierten „Technologien des Selbst“ zum Einsatz. Es handelt sich dabei um Vorgänge und Praktiken, durch die es dem Einzelnen ermöglicht wird, eigenständig oder mit Unterstützung anderer eine Vielzahl von Operationen an seinem Körper, seiner Seele, seinem Denken, seinem Verhalten und seiner Existenzweise durchzuführen. [Wearables: Kontrollregime zwischen Affekt und Technologie]

    Nach Foucault erfordern die Technologien des Selbst immer eine Beziehung zum Anderen: „Man kann sich nicht mit sich selbst befassen, ohne eine Beziehung zum Anderen zu haben.“ [Foucault, Michel: Die Regierung des Selbst und der anderen. Vorlesung am Collège de France 1982/83. Frankfurt/Main: Suhrkamp, 2009]

    Die Funktion des Anderen besteht darin, die Wahrheit auszusprechen, insbesondere unangenehme Wahrheiten, die das Subjekt dazu anregen sollen, über sein Handeln nachzudenken und es gegebenenfalls zu modifizieren.

    Folgende Dialogsequenz des CEO von Humane mit der künstlichen Intelligenz veranschaulicht die praktische Anwendung dieser Machttechniken.

    [The Disappearing Computer — and a World Where You Can Take AI Everywhere ｜Imran Chaudhri｜TED]

    Vor allem basieren die Technologien des Selbst auf der freien Entscheidung des Subjekts, selbstständig an sich zu arbeiten und durch das Bekenntnis seiner „Sünden“ oder „Fehler“ sich einer spirituellen Führung zu öffnen und dann Anweisungen oder Lehren zu empfangen.

    In der Machtphilosophie von Foucault sind das unterworfene Subjekt und das autonome Selbst zwei Seiten desselben Phänomens. Im Umgang mit den Wearables im Rahmen der omnipräsenten Datenökonomie kommt das moderne indifferente Subjekt zum Vorschein. Einerseits handelt es durchaus autonom, aktiv und kreativ und kennt die Risiken und Gefahren des Data-Minings. Andererseits beugt es sich den Prinzipien der Datenproduktion und trägt keine Sorge für den Schutz der eigenen Privatsphäre. So resultiert die postmoderne (vermeintliche) Sorge um sich selbst in der Selbstvernachlässigung. [Wearables: Kontrollregime zwischen Affekt und Technologie, Seite 56]

    Das Subjekt-Objekt der Selbstvermessung durch Wearables gibt sich nicht aus Feigheit (ohne Furcht vor Handeln oder Entscheidungen), sondern aufgrund von Bequemlichkeit, Desinteresse und einer falschen Einschätzung („ich habe nichts zu verbergen“) der Unmündigkeit hin. Die Unterordnung unter das Regime der Selbstoptimierung entlastet das Subjekt von eigenständigem Denken und der Sorge um sich selbst. Es erhält kontinuierlich ein benutzerfreundliches Feedback und eine vorgefertigte Interpretation seiner selbst, was es von der Verpflichtung zur Reflexion und zum Nachdenken entbindet. Die Selbsterkenntnis durch Daten formt ein datenabhängiges Subjekt – ein Subjekt, das zugibt, ohne Wearables nicht in der Lage oder nicht gewillt zu sein, selbstständig über sich nachzudenken und diese Form der Selbstarbeit an ein Medium zu delegieren. Dabei entfremdet sich das Subjekt von sich selbst, insbesondere von seinem eigenen Körper, der zu einem fremdartigen Objekt wird, übersetzt in Datenströme. Trotz dem Anspruch auf Aufklärung und vermeintlicher Emanzipation resultiert dies in einem flexibilisierten, sich selbst vermarktenden, im Grunde jedoch gleichgültigen Subjekt, das in den feinen Verflechtungen der digitalen Pastoralmacht gefangen ist. [Wearables: Kontrollregime zwischen Affekt und Technologie, Seite 56-57]

    In Ihrer wissenschaftlichen Arbeit „Wearables – Kontrollregime zwischen Affekt und Technologie“ (Seite 60) liefert Frau Dr. phil. Anna Marta Potocka ein bemerkenswertes Fazit:

    Das menschliche Wesen, das mit verschiedenen Mängeln behaftet ist, erfährt präventive Behandlungen bereits auf genetischer Ebene, um potenzielle Probleme aufgrund vermeintlicher genetischer Prädispositionen zu verhindern. In der postmodernen wissensbasierten Ökonomie nimmt die Überwachung im medizinischen Bereich stetig zu, da ein Interesse an Human Enhancement und der Steigerung menschlicher Leistung durch maschinelle Komponenten (wie Prothesen) sowie technologischen Interventionen bis hin zur Robotisierung besteht. Machttechniken durchdringen den Körper, nutzen ihn einerseits als Informationsquelle und andererseits als Rohstoff. Individuen werden sowohl zu biomedizinischen als auch zu informationellen Subjekten. Die Grenzen zwischen Leben und Tod verschwimmen, ebenso wie die Grenzen zwischen verschiedenen Körpern. Der nächste evolutionäre Schritt manifestiert sich in der Durchlässigkeit der Grenzen zwischen Körper und Maschine, die sich zunächst in der Übertragung der Handlungsfähigkeit auf technologische Geräte zeigt. Die Wearables gelten als Vorboten des vermeintlichen Transhumanismus, dessen Versprechen sich in dem Trio „super longevity, super intelligence, and super wellness“ widerspiegelt. Dieses Trio legt gleichzeitig die Regeln für ein gutes Leben fest und erhebt den Anspruch auf Perfektibilität.

    Das Transhumane entwickelt sich im Rahmen der TINA-Hypothese (There Is No Alternative) allmählich zu einer sozialen Konvention, während das Quantified Self zu einem narrativlosen Tagebuch wird, das die erzählerischen Fähigkeiten hinter sich lässt. Die Zahlen sprechen für sich, und die miteinander vernetzten Geräte werden als vermeintliche körperliche Erweiterungen betrachtet. Die Maschine wird mehr als nur ein Werkzeug; sie wird zum Instrument eines Machtgefüges, das auf dem Know-how von Ingenieuren, Managern und Marketingexperten basiert. Sie fungiert auch als Element des therapeutischen Regimes, das, obwohl als Technologie der Ermöglichungsmacht definiert, die Frage nach dem Wie und Warum der Definition potenzieller „Probleme“ unbeantwortet lässt.

    „Die Smartphones oder Wearables werden zu Laboratorien des Selbst und der Verheißung einer vermeintlichen Ermächtigung für alle. Sie sind ein verlockendes Angebot der Selbstdefinierung gegen das generalisierte Wissen, das Spiegelbild der eigenen Normen und Wertvorstellungen, das dem Nutzer ermöglicht, sich selbst mit dem Blick des Anderen zu sehen. Dabei entwickeln sich die Geräte zu Beratungsinstanzen: Es geht nicht nur um Tracking und Monitoring, sondern um Instruktionen und Erteilung von konkreten Handlungsanweisungen. Das Software-Design der Wearables bildet eine Auswahl-Architektur da alle Features, auch unbewusst, die Entscheidungsfindung beeinflussen können. Der User, geführt durch entsprechendes Framing, kann zur gewollten Entscheidung geführt werden (Nudging). So dienen Wearables der sozialen Kontrolle und der Mitteilung der generellen Norm: Optimiere dich!“

    So betrachtet, erscheint die visionäre Rede von Imran Chaudhri, dem CEO von Humane, in einem anderen Licht.

    Der WEF-Berater, Yuval Harari, wird diesbezüglich konkreter. Bei seinem „pathetischen“ Auftritt vor dem Frontiers Forum in Mai 2023 zum Thema „AI and the future of humanity“ skizziert er folgende Zukunftsvision:

    „Aber je länger wir mit dem Bot sprechen, desto besser lernt er uns kennen und versteht, wie er seine Botschaften verfeinern kann, um unsere politischen oder unsere wirtschaftlichen Ansichten oder sonst etwas zu manipulieren. Wie ich sagte, kann die KI durch die Beherrschung der Sprache intime Beziehungen zu Menschen aufbauen und die Macht der Intimität nutzen, um unsere Meinungen zu beeinflussen.“

    “Neue KI-Werkzeuge würden einen immensen Einfluss auf menschliche Meinungen und unser Weltbild haben. Die Menschen könnten zum Beispiel dazu kommen, einen einzigen KI-Berater als das One-Stop-Orakel und als Quelle für alle Informationen, die sie benötigen, zu verwenden.“

    “Menschen und Unternehmen, die die neuen KI-Orakel kontrollieren, werden extrem mächtig sein.“

    „Catch me up“ ist eine der umworbenen Features des HUMANE AI PIN.

    Es klingt fast wie „Beam me up“.

    Es stellt sich die Frage – Wohin wird es uns beamen?

    Auf das Raumschiff Enterprise oder auf das Borg-Raumschiff.

    „Aber es ist die Welt in der WIR leben wollen. Eine Welt, in der Technologie uns nicht nur dabei hilft, wieder in die Welt zurückzukehren, sondern auch unsere Fähigkeiten dazu verbessert. Es ist in Reichweite.“ 
    Imran Chaudhri, CEO von HUMANE

    Epilog:

    Wir schreiben das Jahr 1968.

    Ein Jahr bevor die ersten Computer miteinander über eine Telefonleitung verbunden werden.

    Eine Dekade bevor die dritte industrielle Revolution beginnt.

    Ein viertel Jahrhundert bis zu der öffentlichen Einführung des Internets.

    Fast ein halbes Jahrhundert vor dem Beginn der vierten industriellen Revolution.

    Der amerikanische Ethnologe und Verhaltensforscher John B. Calhoun, bekannt für sein Studium der Bevölkerungsdichte und deren Auswirkungen auf das menschliche Verhalten, hält seinen Vortrag „Space and the Stategy of Life – Der Raum und die Strategie des Lebens“ während der Jahrestagung der „American Association for the Advancement of Science“. Dort macht er folgende „Prophezeiung“:

    „Der Mensch ist unter den Tieren einzigartig darin, zu lernen, wie man die Beschränkungen umgeht, die durch die Begrenzung des physischen Raums für weiteres Bevölkerungswachstum entstehen. Er hat diese Flucht geschafft, indem er entdeckt hat, wie man konzeptionellen Raum schafft, … die eine effektivere Bewältigung der physischen und sozialen Umwelt ermöglicht.“

    „Um den konzeptionellen Raum weiter auszudehnen, müssen mehr und mehr Individuen in ein gemeinsames Kommunikationsnetz eingebunden werden. Die gesellschaftspolitische Einheit fördert die Vergrößerung und Wirksamkeit solcher Netze. Dieser Zusammenschluss wird so lange fortgesetzt, bis die gesamte Weltbevölkerung in ein einziges Netz eingebunden ist. Dieser Punkt wird erreicht sein, wenn die Weltbevölkerung neun Milliarden erreicht. Aus diesem Grund werden neun Milliarden als optimale Weltbevölkerung festgelegt, bei der der einzelne Mensch als primärer Knotenpunkt und primäres Bindeglied des Kommunikationsnetzes dient.“

    „Ein Grund für die elektronische Revolution ist, dass wir uns einer Grenze des Kortex bei der Verarbeitung von Informationen genähert haben.“

    „Das bedeutet, dass wir in Kürze elektronische Prothesen brauchen werden, die ähnlich funktionieren wie unser Kortex. Wir werden mit ihnen verbunden, um eine weitere Vergrößerung unseres konzeptionellen Raums über die vom Kortex auferlegten Grenzen hinaus zu ermöglichen.“

    „Die Aufrechterhaltung dieser Verknüpfungen ist der Preis, den wir zahlen werden, wenn wir … die weitere Steigerung der menschlichen Möglichkeiten als den gewünschten Verlauf der Evolution wählen.“

    „Zu Beginn dieser Evolution „wird es nicht mehr angemessen sein, den Menschen als Homo sapiens zu bezeichnen. Ihm muss vielmehr ein spezifischer Name gegeben werden, der die sich entwickelnde Verbindung mit den Denkprothesen widerspiegelt.“

    Eine ausführliche Analyse der Aussagen von John B. Calhoun finden Sie im „Experiment „Universum 25“ und der Weg in eine technokratische Zukunft“.

    Was geht hier eigentlich vor? Sind Calhoun, Harari, Chaudhri & Co geniale Visionäre oder folgen sie den Anweisungen einer im Hintergrund laufenden Agenda?

    Und ist diese Agenda von außen auferlegt oder steckt sie in jedem von uns?

    Quellen (Stand vom 19.11.2023)

    The last bastion: The human body as a technology platform

    „It is so easy to be immature. If I have a book to serve as my understanding, a pastor to serve as my conscience, a physician to determine my diet for me, and so on, I need not exert myself at all. I need not think, if only I can pay: others will readily undertake the irksome work for me.”
    Immanuel Kant (1724 – 1804), German Philosopher

    It was predicted 10 years ago that the era of personal computing, represented by desktop computers and laptops, would give way to the era of intimate computing. It was predicted that even before 2020, „intimate devices”, environments and networks would know a great deal about us. The ultimate buzzword is „smartness” – smart phone, smart watch, smart TV, smart home, smart grid, smart city. Wearables – the small computer systems that are worn directly on the body – are an essential element in this puzzle.

    The fact that this development should be taken seriously is reflected in the World Economic Forum (WEF) briefing paper from July 2020 entitled: „Shaping the Future of the Internet of Bodies: New Challenges of Technology Governance”. According to the authors of the paper, „recent technological advances have ushered in a new era of the Internet of Bodies (IOB), with an unprecedented number of connected devices and sensors being affixed to or even implanted and ingested into the human body. This has turned the human body into a technology platform.”

    In general, the WEF classifies IOB technologies as medical/non-medical and invasive (implantable)/non-invasive (wearable) (see Fig. 1).

    Fig.1: Examples of internet of bodies technologies [Shaping the Future of the Internet of Bodies, Page 7]

    Does the phrase ‚The human body as a technology platform‚ seem somewhat abstract and lofty to you? Does it appear a bit far-fetched?

    Before you make your judgment, let’s take a look at some details from the cutting-edge studies on wearables from the leading Cambridge-based technology consulting firm IDTechEx. IDTechEx’s research is primarily aimed at the senior management of technology companies specializing in various high-tech sectors. The information thus comes directly from the sources that develop, produce and market such products.

    Fig.2: The state of wearable technology in 2023. [Forecasts for wearable technologies 2023-2033 – Webinar Slides]

    Most of you will likely recognize at least some of the gadgets depicted in Fig. 2. Perhaps you already enjoy the benefits of some of these gadgets, or you know someone who does. Maybe one or another of these ‚technological novelties‘ is on your Christmas wish list.

    Tech-savvy individuals now have a wide range of options to join the ‚Internet of Bodies‘. Whether utilizing wrists, ears, eyes, skin, or the head as interfaces, access is becoming increasingly easy and seamless (see Fig. 3).

    With the corona pandemic, the era of the „old normal” has smoothly transitioned into the era of the „Great Reset” with all its facets and manifestations. In times like these, nothing seems to remain constant and certain, except for the continuous flow of change. This uncertainty is driving more and more people under the wing of the pastoral power of personal advisors, therapists and health experts, whose role is gradually being taken over by wearables, step by step.

    Fig.3: Wearables classified according to the wear location [Forecasts for wearable technologies 2023-2033 – Webinar Slides]

    In uncertain times, this technology seems to provide a trustworthy refuge. These are familiar, comforting objects whose use requires no intellectual effort. Through their reliability and precision, they give the impression of making life easier and serving personal convenience. IDTechEx experts have identified this trend as a driving force for the adoption and innovation in wearables (see Fig. 4).

    Fig.4: Specific drivers for wearable adoption and innovation. [Forecasts for wearable technologies 2023-2033 – Webinar Slides]

    Following this logic, increased security and even more convenience demand additional expanded biometric data. The latest advancements in microelectronics, communication, sensor and battery technologies, as well as artificial intelligence, provide the perfect technological framework for this.

    In the WEF flagship report ‚Top 10 Emerging Technologies of 2023‚, the spotlight is placed on the following developments:

    • Flexible batteries – Powering wearable technologies for healthcare and e-textiles;
    • Generative artificial intelligence – Expanding the boundaries of human endeavour;
    • Metaverse for mental health – Shared virtual spaces to improve mental health;
    • Flexible neural electronics – Better engineered circuits to interface with the nervous system;
    • AI-facilitated healthcare – New technologies to improve the efficiency of healthcare systems.

    How machine learning is already being used to generate key metrics of interest from the flood of sensor data is illustrated in Figure 5.

    Fig.5: Adoption of machine learning in the processing of sensor data from wearables [Forecasts for wearable technologies 2023-2033 – Webinar Slides]

    Artificial intelligence and wearables enter into a symbiotic relationship. The deluge of biological, chemical, and other sensor data continually refines the AI algorithms. In turn, these algorithms enable early detection/early diagnoses, preventive, or personalized/tailored medicine. It must be acknowledged that this constellation can exert a tremendous seductive force on most people across all age groups and social strata.

    The technology and marketing consultants at IDTechEx outline the further evolution of wearables as the perfect tool for collecting large amounts of data.

    Fig. 6: Wearables as ideal tools for large data set collection [Forecasts for wearable technologies 2023-2033 – Webinar Slides]

    In addition to ‚conventional‘ biometric and lifestyle data, as well as speech recognition, the evolutionary vision of technology experts envisions the incorporation of brain-computer interfaces in data collection. And that’s not all. The data is correlated with government and health records, financial status reports, and information about individual living conditions (highlighted in red by the author in Figure 6).

    At the beginning of November, the EU Commission approved the introduction of the European ‚Digital Identity Wallet‘. Passport, driver’s license, or medical prescriptions: Everyday-relevant documents are intended to be stored by EU citizens in the ‚European Digital Identity Wallet‘ in the future.

    The electronic health record will be mandatory for all German citizens starting from the end of 2024.

    Most banking transactions already take place digitally today. Communication on social media is inherently digital. And as homes become more ’smart‘ (smart meters, smart TVs, smart furniture and kitchen appliances, etc.), the individual digital footprint grows larger.

    The chances that your thoughts and financial data will be analyzed along with your social media behavior and correlated with corresponding government or health records are pretty good. The extent to which your energy consumption, as reported by your smart meter, has an impact on your tailored medical care depends on the settings of the AI algorithm. But all joking aside. By using AI algorithms, the possibilities for evaluating the „raw data” are practically unlimited (see Fig. 7).

    Fig.7: How could AI add even more value to the wearable data? [Forecasts for wearable technologies 2023-2033 – Webinar Slides]

    „AI could enable the use of multiple large data sets, interpret and contextualize them, and enable solutions which simultaneously tackle the need for health security and economic security – ultimately improving quality of life”, – argue the authors of the IDTechEx study.

    The experts conclude that „AI can improve the capabilities of wearables, especially through the analysis of new biometric data and brain computer interfaces. Wearables are an efficient means of collecting large data sets that can be used to train new AI tools. The data from wearables can be used in context in an ecosystem of other data sources to develop better tools for health management in the medium term and augmented reality in the long term.”

    This development makes me pensive. How about you?

    The IDTechEx report predicts that the market volume for wearables will reach USD 161 billion by 2033. Brain researchers have long claimed that ‚reason deserts you when it comes to money‘. This, coupled with the Silicon Valley ideology and its unshakeable and unlimited belief in the possibilities of technology on the one hand and the conviction that only with the help of technology is it possible to create a „better” human being, creates an avalanche-like driving force that can hardly be contained.

    The proof that IDTechEx understands the market well and can predict its development comes just a few days after the release of their wearable study. The Humane AI PIN from Humane, a startup founded by two former Apple employees and now backed by major names such as Sam Altman, Microsoft, Qualcomm Ventures, and others, has officially been unveiled.

    This innovative gadget caused a worldwide sensation in the media just a few days after being advertised and is already being described as the next „game changer” after the smartphone. At first glance, the advertising for the Humane AI PIN seems very convincing.

    [Source: https://hu.ma.ne/]

    In the form of an electronic brooch, the HUMANE AI PIN transforms generative AI tools like ChatGPT-4 into ‚Artificial Intelligence On-the-Go‘, which can be discreetly worn on clothing, allowing communication through speech, touch, and gesture in a manner natural to humans. The AI PIN can see, hear, speak, and, most importantly, ‚think‘ with a performance equivalent to the current ChatGPT-4.

    The interweaving of the user’s cognitive abilities and the capacities of the device creates an „intimacy”, an unconscious „man-machine symbiosis”, an „augmented human intellect”. Without a doubt – a remarkable engineering achievement with serious medium and long-term consequences for human civilization.

    The CEO of Humane, Imran Chaudhri, addresses this topic in his visionary speech „The Disappering Computer” during this year’s TED conference. It is well worth watching in full.

    Let’s take a look at some of the statements made by the Californian visionary:

    „In the future, technology will be both ambient (i.e. adapted to the environment) and contextual (i.e. adapted to the situation).  And that means you need to use AI to really understand yourself and your environment to get the best results.“

    „And we gain this context through machine learning. The more you use our AI-powered device, the better WE can help you in any emergency situation. Your AI effectively becomes a constantly evolving, personalized form of memory. And WE think that’s great.“

    „Your AI finds out what you need at the speed of thought. A feeling that will continue to evolve as technology advances. … As AI advances, WE will see it change almost every aspect of our lives. In ways that seem unimaginable right now. In fact, Sam Altman of OpenAI feels the same way we do – AI is vastly underestimated. And I’ll add, as long as WE get it right. WE truly believe that WE are just beginning to scratch the surface of what is possible.“

    „More human, more intuitive interactions that are screenless, seamless and tangible – that is the possibility of rethinking the human-technology relationship as WE know it. And that’s the exciting thing. It is undoubtedly a great challenge. But it is the world WE want to live in. A world where technology not only helps us get back into the world, but also enhances our ability to do so. It is within reach.“

    „In the future, the technology could be almost invisible.“

    Who is meant by WE?

    Humane’s list of investors includes the following more or less well-known names:

    The mission of the WEF is again: „The World Economic Forum is the International Organization for Public-Private Cooperation. The Forum engages the foremost political, business, cultural and other leaders of society to shape global, regional and industry agendas.“

    In the somewhat older WEF article „Five ways to understand the Fourth Industrial Revolution”, the following quote from Michel Foucault goes almost unnoticed: „Power is everywhere: not that it engulfs everything, but that it comes from everywhere.”

    From 1970 until his death, Foucault held the Chair of the History of Systems of Thought at the prestigious Collège de France university in Paris. In his works, he focused on concepts and methods of power analysis. He considered his works as „toolboxes”. [Wikipedia: Michel Foucault]

    Among these tools is the concept of modern Governmentality. Foucault understands this as a comprehensive bundle of manifestations of modern governance techniques that allow the monitoring and steering of the behavior of individuals and collectives as power-driven objects. He views governmentality as the foundation for the survival of the state. [Wikipedia: Gouvernementalität]

    Foucault also defines the term Bio-power, increasingly also referred to as Biopolitics. He uses bio-power to describe power techniques that „are not aimed at the individual, but at the entire population”. By population, he means a group that does not simply consist of many people, but of people who are permeated, controlled and directed by biological processes and laws. He associates population with various parameters such as „a birth rate, an age curve, a state of health”, etc. [Wikipedia: Bio-Macht]

    „The aim of Foucault’s bio-power is to regulate this population defined in this way, in particular by regulating its reproduction, birth and mortality rates, health levels, housing conditions, and so on.“ [Wikipedia: Bio-Macht]

    In the biopolitical sense, the population is primarily viewed as a „production machine for the generation of wealth, goods and other individuals”. Bio-power provides the framework conditions that are useful to the production machine. The individual is evaluated according to his or her usefulness against the background of social conditions. To achieve this, the individual is consistently measured against a norm, aligned with it, and must conform to it. [Wikipedia: Bio-Macht]

    Biopolitical power targets the individual body in order to discipline and control its behavior. In doing so, it uses statistics to search for deviations from the „normal”. Dr. phil. Cornelia Mooslechner-Brüll, lecturer at the Department of Philosophy and the Department of Political Science at the University of Vienna, summarizes the situation as follows:

    [Biopolitik und Wearables, Excerpt from the article „Cultural theories: Michel Foucault and Judith Butler”]

    Neoliberal governmentality relies on digital surveillance. Without the data generated by digital surveillance, the system would collapse; they are its raw material and currency. Wearables present themselves as efficient tools in efforts to discipline, control, and optimize the postmodern individual. They focus their attention on the individual with all its desires, ambitions, potentials, and weaknesses. It appears as though they are available to the individual to assist in becoming an improved and more successful self. [Wearables: Control regimes between affect and technology]

    In this process, the subtly deployed ‚Technologies of the Self‘, as defined by Foucault, come into play. These are processes and practices that enable individuals, either independently or with the support of others, to carry out a variety of operations on their body, soul, thinking, behavior, and way of life. [Wearables: Control regimes between affect and technology]

    According to Foucault, the „Technologies of the Self” always require a relationship to the other: „One cannot deal with oneself without having a relationship to the other”. [Foucault, Michel: Die Regierung des Selbst und der anderen. Vorlesung am Collège de France 1982/83. Frankfurt/Main: Suhrkamp, 2009]

    The function of the Other is to speak the truth, especially unpleasant truths, which should encourage the subject to reflect on their actions and modify them if necessary.

    The following dialog sequence between the CEO of Humane and the artificial intelligence illustrates the practical application of these power techniques.

    [The Disappearing Computer — and a World Where You Can Take AI Everywhere ｜Imran Chaudhri｜TED]

    Above all, the technologies of the self are based on the subject’s free decision to work on himself and, by confessing his „sins” or „mistakes”, to open himself up to spiritual guidance and then to receive instructions or teachings.

    In Foucault’s philosophy of power, the subjugated subject and the autonomous self are two sides of the same phenomenon. When dealing with wearables in the context of the omnipresent data economy, the modern indifferent subject comes to the fore. On the one hand, it acts autonomously, actively and creatively and is aware of the risks and dangers of data mining. On the other hand, it bows to the principles of data production and takes no care to protect its own privacy. In this way, postmodern (supposed) concern for oneself results in self-neglect. [Wearables: Control regimes between affect and technology, Page 56]

    The subject-object of self-measurement through wearables does not surrender out of cowardice (without fear of action or decisions) but due to convenience, disinterest, and a misguided assessment (‚I have nothing to hide‘) of its immaturity. Submission to the regime of self-optimization relieves the subject from independent thinking and self-care. It continuously receives user-friendly feedback and a preconceived interpretation of itself, freeing it from the obligation to reflect and contemplate. Self-awareness through data shapes a data-dependent subject – one that admits to being unable or unwilling to independently think about itself without wearables, delegating this form of self-work to a medium. In doing so, the subject becomes alienated from itself, especially from its own body, which becomes a foreign object translated into data streams. Despite the claim to enlightenment and supposed emancipation, this results in a flexibilized, self-marketing, fundamentally indifferent subject trapped in the subtle entanglements of digital pastoral power. [Wearables: Control regimes between affect and technology, Page 56-57]

    In her academic paper „Wearables – Control regimes between affect and technology” (page 60), Dr. phil. Anna Marta Potocka comes to a remarkable conclusion:

    The human being, afflicted with various deficiencies, undergoes preventive treatments already at the genetic level in order to prevent potential problems due to supposed genetic predispositions. In the postmodern knowledge-based economy, surveillance in the medical field is constantly increasing, as there is an interest in human enhancement and the increase of human performance through machine components (such as prostheses) and technological interventions, including robotization. Power technologies permeate the body, using it both as a source of information and as a raw material. Individuals are becoming both biomedical and informational subjects. The boundaries between life and death are becoming blurred, as are the boundaries between different bodies. The next evolutionary step manifests itself in the permeability of the boundaries between body and machine, which initially manifests itself in the transfer of agency to technological devices. Wearables are seen as the harbingers of supposed transhumanism, whose promise is reflected in the trio of „super longevity, super intelligence, and super wellness”. This trio simultaneously lays down the rules for a good life and lays claim to perfectibility.

    Within the framework of the TINA hypothesis (There Is No Alternative), the transhuman gradually evolves into a social convention, while the Quantified Self becomes a narrative-less diary, leaving narrative abilities behind. The numbers speak for themselves, and interconnected devices are perceived as supposed physical extensions. The machine becomes more than just a tool; it becomes an instrument of a power structure based on the expertise of engineers, managers, and marketing experts. It also functions as an element of the therapeutic regime, defined as a technology of empowerment, yet leaving the question of how and why the definition of potential ‚problems‘ unanswered.

    „Smartphones and wearables are becoming laboratories of the self and the promise of supposed empowerment for all. They are a tempting offer of self-definition against generalized knowledge, the reflection of one’s own norms and values, which enables the user to see themselves through the eyes of others. In the process, the devices develop into counseling instances: It’s not just about tracking and monitoring, but about giving instructions and issuing specific instructions for action. The software design of the wearables forms a selection architecture as all features can influence the decision-making process, even unconsciously. The user, guided by appropriate framing, can be led to the desired decision (nudging). Wearables thus serve the purpose of social control and the communication of the general norm: „Optimize yourself!”

    Seen in this light, the visionary speech by Imran Chaudhri, the CEO of Humane, takes on a different perspective.

    The WEF advisor, Yuval Harari, gets more specific in this regard. During his ‚pathetic‘ appearance at the Frontiers Forum in May 2023 on the topic ‚AI and the future of humanity‚, he outlines the following vision of the future:

    „But the longer we talk to the bot, the better it gets to know us and understands how to refine its messages to manipulate our political views or our economic views or anything else. As I said, by mastering language, AI can build intimate relationships with humans and use the power of intimacy to influence our opinions.”

    „New AI tools would have an immense impact on human opinions and our view of the world. For example, people could come to use a single AI advisor as the one-stop oracle and source of all the information they need.“

    „People and companies that control the new AI oracles will be extremely powerful.“

    „Catch me up” is one of the advertised features of the HUMANE AI PIN.

    It almost sounds like „Beam me up”.

    It begs the question – where will it beam us up to?

    To the USS Enterprise or to the Borg Cube.

    „But it is the world WE want to live in. A world where technology not only helps us get back into the world, but also enhances our ability to do so. It is within reach.“ 
    – Imran Chaudhri, CEO of HUMANE

    Epilogue:

    We are in the year 1968.

    A year before the first computers are connected to each other via a telephone line.

    A decade before the third industrial revolution begins.

    A quarter of a century before the public introduction of the Internet.

    Almost half a century before the start of the fourth industrial revolution.

    The American ethnologist and behavioral scientist John B. Calhoun, known for his study of population density and its effects on human behavior, gives his lecture „Space and the Stategy of Life” during the annual meeting of the American Association for the Advancement of Science. There he makes the following „prophecy”:

    „Man stands unique among animals in learning how to bypass the strictures placed by limitation of physical space on further population growth. He has made this escape by discovering how to create conceptual space … which permit more effective coping with the physical and social environment.“

    „To continue enlarging conceptual space requires involving more and individuals in a common communication network. Socio-political union enhances the enlargement and effectiveness of such networks. Such union will continue until the entire world population becomes incorporated into a single network. This point will arrive when the world population reaches nine billion. For this reason, nine billion is set as the optimum world population in which individual human beings serve as the primary nodes and the primary links in the communication network.“

    „A reason for the electronic revolution is that we have approached a limit of the cortex to process information necessary for its codification into concepts.“

    „This means that we will shortly need electronic prostheses which will function much as does our cortex. We become linked to these to permit further enlargement of our conceptual target diameters beyond the limitations imposed by the cortex.“

    „Maintaining these linkages is the price we will pay if we elect … of further enhancing human potentialities as the desired course of evolution.“

    „At its inception it will no longer be appropriate to designate man as Homo sapiens. He, rather, must be given a specific name reflecting the developing linkage with thinking prostheses.“

    A detailed analysis of John B. Calhoun’s statements can be found in „Experiment ‚Universe 25‘ and the path to a technocratic future”.

    What is actually going on here? Are Calhoun, Harari, Chaudhri & Co ingenious visionaries or are they following the instructions of an agenda running in the background?

    And is this agenda imposed from outside or is it within each of us?

    Sources (as of 19.11.2023)

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