Nobelpreis für Chemie: ultrakalte und atomgenaue Mikroskopie

Der diesjährige Chemie-Nobelpreis ehrt eine Methode, mit der Forscher die 3D-Strukturen lebenswichtiger Eiweißstoffe untersuchen können. So finden sie beispielsweise neue Medikamente. Der Trick dahinter: schockfrieren.

Als "coole Methode" stellte Göran Hansson vom Nobelpreiskomitee die Errungenschaft der drei Chemie-Nobelpreisträger am Mittwoch (04.10.2017) in Stockholm vor. "Eine Revolution für die Biochemie" ergänzte Komitee-Mitglied Sara Snogerup Linse. Kurzum:Für die Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie erhalten der Schweizer Jacques Dubochet, der Deutsch-Amerikaner Joachim Frank und der Schotte Richard Henderson den Nobelpreis für Chemie.

Wissen & Umwelt | 31.03.2016

"Cool" ist dieses bildgebende Verfahren gleich in zweierlei Hinsicht. Zum einen funktioniert die Methode nur bei sehr kalten Temperaturen von weniger als minus 150 Grad Celsius. Zum anderen begeistert sie Forscher rund um die Welt: Damit lassen sich Eiweiße in einer Genauigkeit untersuchen, wie es bis vor kurzem noch nicht möglich war. 

Die Entwicklung der Nobelpreisträger "hat eine völlig neue Welt eröffnet", sagt Peter Brzezinski, Biochemie-Professor und ebenfalls Mitglied des Nobelpreis-Komitees. "Wir können mit ihr alle diese Moleküle im Inneren von Zellen sehen. Wir sehen sogar, wie sie miteinander interagieren." Das sei extrem hilfreich, um beispielsweise Medikamente zu entwickeln oder Krankheitserreger wie das Zika-Virus zu untersuchen.

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USA Chemie-Nobelpreis Joachim Frank

Joachim Frank, einer der drei Chemie-Nobelpreisträger 2017

"Ich war total überwältigt", antwortet Joachim Frank via Telefon auf die Frage der Journalisten in Stockholm, wie er die Nachricht, dass er einen Nobelpreis bekommt, aufgenommen habe. "Ich dachte, dass meine Chancen auf einen Nobelpreis winzig seien - immerhin gibt es jeden Tag so viele neue Entdeckungen."

Die Methode, auf der die jetzt ausgezeichnete Entdeckung basiert, ist nicht mal neu - im Gegenteil: Den ersten Prototyp eines Elektronenmikroskops entwickelte der Deutsche Ernst Ruska bereits im Jahr 1931 - und erhielt über 50 Jahre später, 1986, den Physik-Nobelpreis dafür.

Aber so gut die Methode auch ist - sie hat ihre Grenzen. Viele Forscher, darunter die drei jetzt ausgewählten Nobelpreisträger, bastelten weiter daran - und verbesserten sie schließlich. "Es war nicht super überraschend, dass dafür ein Nobelpreis vergeben wurde", sagt Holger Stark, Direktor am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, gegenüber der Deutschen Welle. "Die Kryo-Elektronenmikroskopie hat in den letzten Jahren so immens eingeschlagen." Stark untersucht mit dem Verfahren molekulare Maschinen im menschlichen Körper, beispielsweise das Ribosom, das Eiweißstoffe herstellt.

Nobelpreis Chemie Grafiken

So genau lassen sich Eiweißstrukturen mit Kryo-Elektronenmikroskopie analysieren

Früher sei die Elektronenmikroskopie immer ein bisschen "belächelt worden", sagt er, "weil die Auflösung so schlecht war." Das habe sich dann aber dramatisch geändert. "Die Kryo-Elektronenmikroskopie boomt." Forscher, die sich mit der Methode auskennen, seien hochbegehrt, sagt Stark. Er bekomme immer wieder Anfragen, ob er nicht Mitarbeiter habe, die er entbehren könne. "Eigentlich müssten wir wie im Fußball Ablösesummen verlangen", sagt er lachend. 

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Nobelpreis 2014 Chemie Zellstrukturen Fluoreszenzmikroskopie
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Nobelpreis für ein Mikroskop

"Wie eine Libelle im Harz"

Um sich Eiweißstoffe genauer anzuschauen, benutzten Forscher als Standardmethode lange Zeit die Röntgenkristallographie. Dafür wird ein Kristall des Eiweißes mit Röntgenstrahlung beschossen; Forscher rechnen aus dem Ergebnis auf die Struktur zurück. Mit dieser Methode untersuchte beispielsweise die israelische Forscherin Ada Yonath das Ribosom und bekam dafür im Jahr 2009 den Nobelpreis für Chemie.

Es gibt aber ein Problem: Nicht alle Eiweiße kristallisieren. Diese Kandidaten entzogen sich daher bis vor kurzem jeglicher Strukturuntersuchung. Direkt mit einem Elektronenmikroskop lassen sie sich auch nicht untersuchen, da dabei die Eiweiße zerstört werden. Dubochet, Frank und Henderson entwickelten getrennt voneinander Lösungsansätze. 

Schweiz Chemie-Nobelpreis -Jacques Dubochet

Jacques Dubochet entwickelte eine Methode, um Eiweißlösungen schockzugefrieren

Die Idee: Eine wässrige Eiweißlösung einzufrieren - allerdings so schnell, dass sich keine Eiskristalle dabei bilden, denn die würden die Messung unmöglich machen. "Das Eiweiß wird wie eine Libelle im Harz eingebettet", erklärt Stefan Raunser, Biochemiker am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund im DW-Interview. 

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Teuer - aber es lohnt sich

Über drei Tage wird die Probe im Kryo-Elektronenmikroskop bei ultrakalten Temperaturen vermessen. Aus den Messdaten lässt sich die dreidimensionale Struktur des Moleküls rekonstruieren. Einzelne Strukturen lassen sich sogar wie die Frames eines Films zusammenfügen, um die Bewegung des Proteins in Aktion zu beobachten. "Wir können die Moleküle im Kleinsten verstehen", sagt Raunser. Er untersucht mit der Kryo-Elektronenmikroskopie Muskelproteine - und versucht nachzuvollziehen, wie es zu angeborenen Herzfehlbildungen kommen kann.

Ganz billig ist die Kryo-Elektronenmikroskopie allerdings nicht. Ein Gerät kostet um die 5 Millionen Euro. "Das bezahlt man nicht eben mal vom Taschengeld", sagt Holger Stark. Auch der Unterhalt des Geräts sei mit 150.000 bis 200.000 Euro im Jahr recht teuer - "man benötigt High-End-Klimatechniken." Besonders teuer sei der Service-Vertrag, damit man Reparaturen am Gerät überhaupt bezahlen könne.

Die Ergebnisse, die das Gerät erzielt, scheinen den Aufwand und die Kosten dennoch wert zu sein. "Wenn man mit der Methode nur ein einziges Medikament verbessern kann, hat es sich schon gelohnt", sagt Raunser. 

Von Alzheimer bis Zika

"Der praktische Nutzen der Kryo-Elektronenmikroskopie ist immens", sagte Nobelpreisträger Joachim Frank bei der Pressekonferenz in Stockholm. "Denn die Medizin schaut heutzutage nicht mehr auf die Organe, sondern auf die Vorgänge, die in einer Zelle stattfinden."

Wer diese Vorgänge versteht, kann beispielsweise Medikamente verbessern oder neue entwickeln. Mit Kryo-Elektronenmikroskopie bestimmten Forscher um Michael Rossmann an der Purdue-Universität in Indiana, USA, im letzten Jahr die hochaufgelöste Struktur des Zika-Virus. Das habe nur wenige Monate gedauert, sagt Brzezinski. "Die Struktur zeigt die atomaren Einzelheiten auf der Oberfläche des Virus, was wichtig ist, um Medikamente gegen das Virus zu entwickeln."

Im September hatte ein deutsch-niederländisches Forscherteam, mit Kryo-Elektronenmikroskopie die Struktur einer Amyloid-Fibrille entschlüsselt. Das sind die krankhaften Eiweißablagerungen im Gehirn, die für die Alzheimer-Erkrankung charakteristisch sind.

Und es bestehe auch Hoffnung, mit der Methode neue Antibiotika im Kampf gegen Resistenzen zu finden, erläutert Raunser. Er forscht seit über 16 Jahren mit der Kryo-Elektronenmikroskopie und ist begeistert von der Methode. "Bei uns läuft das Gerät 24 Stunden am Tag und sieben Tage die Woche."

1902: Zuckersüße Chemie

Süß ging es zu Beginn des letzten Jahrhundert zu: Als erster Deutscher durfte sich Hermann Emil Fischer über einen Chemie-Nobelpreis freuen. Die Auszeichnung erhielt er für seine Arbeiten über Zucker. Unter anderem entwickelte er eine Methode, die komplizierten dreidimensionalen Strukturen von Zuckermolekülen zu Papier zu bringen.

1904: Der Inhalt von Heliumballons

Der Schotte Sir William Ramsay entdeckte die reaktionsträgen Edelgase. Sie sind Bestandteile der Luft um uns herum und reagieren nur sehr selten mit anderen Verbindungen. Zu den Edelgasen zählt das Helium, das Kinderballons Richtung Himmel streben lässt. Auch Neon aus den nach ihm benannten Lampen ist ein Edelgas.

1907: Bierherstellung auch ohne Leben

Der Deutsche Eduard Buchner entdeckte, dass es für Gärprozesse nicht zwingend lebende Zellen braucht. Bei der Gärung zersetzen beispielsweise Hefezellen Zuckermoleküle zu Alkohol, etwa in der Bierherstellung. Buchner zeigte, dass dieser Vorgang auch mit toten, zerkleinerten Hefezellen funktioniert. Das war zur damaligen Zeit unvorstellbar.

1911: Strahlende Bekanntschaft

Marie Curie erhielt sogar gleich zwei Nobelpreise: 1903 in Physik und acht Jahre später in Chemie. Sie entdeckte die radioaktiven Elemente Radium und Polonium. Sie zersetzen sich spontan und senden dabei Strahlung aus. Das giftige Polonium kommt natürlicherweise in Uranerzen vor. Größere Konzentrationen finden sich in Tabakrauch.

1915: Schöne bunte Pflanzen

Der deutsche Chemiker Richard Willstätter erhielt den Nobelpreis für seine Untersuchungen zu Farbstoffen im Pflanzenreich. Vor allem das Chlorophyll war eine Auszeichnung wert: Es gibt den Pflanzen ihre grüne Farbe und ermöglicht es ihnen, aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid Zucker herzustellen.

1918: Dünger für die Welt

Der Deutsche Fritz Haber erforschte, wie sich Ammoniak aus den Elementen Wasserstoff und Stickstoff herstellen lässt. So wurde es möglich, Kunstdünger herzustellen und die wachsende Weltbevölkerung besser zu ernähren. Andererseits war die Ammoniaksynthese auch die Geburtsstunde der Sprengstoffherstellung.

1927: Natürliche Verdauungshilfen

Heinrich Otto Wieland, ebenfalls Deutscher, wurde mit dem Nobelpreis geehrt, weil er die Zusammensetzung der Gallensäure herausfand. Die Gallensäuren als Bestandteil der Galle werden in der Leber hergestellt. Sie helfen dem Körper dabei, Fett zu verdauen und aufzunehmen.

1939: Warum Frauen Frauen sind und Männer Männer

Der Deutsche Adolf Butenandt erhielt den Nobelpreis für seine Arbeiten an menschlichen Sexualhormonen. Hitler verbot ihm aber, den Preis anzunehmen. Butenandt isolierte erstmals viele der Hormone, die unsere Sexualfunktionen steuern. Die Substanzen sind dafür verantwortlich, dass weibliche und männliche Embryonen zu Frauen bzw. Männern werden.

1944: Atomkerne spalten - für Strom oder Bomben

Otto Hahn entdeckte die Kernspaltung von Atomen. Schießt man ein kleines Teilchen, das Neutron, auf einen schweren Atomkern, zerlegt sich dieser in zwei kleinere Atomkerne. Dabei wird viel Energie frei - und weitere Neutronen. Es entsteht eine Kettenreaktion. Hahn machte so Kernkraftwerke, aber auch die Entwicklung der Atombombe möglich.

1958: Stoff für Diabetiker

Der Brite Frederick Sanger klärte die Struktur des Hormons Insulin auf. Diabetiker können kein oder nicht genug Insulin produzieren und müssen die Verbindung daher regelmäßig spritzen, um am Leben zu bleiben. Insulin wird inzwischen problemlos in großen Mengen mit Gentechnik hergestellt.

1963: Endlich Plastiktüten!

Der Deutsche Karl Waldemar Ziegler teilte sich 1963 den Preis mit dem italienischen Chemiker Guilio Natta. Die beiden entwickelten ein Verfahren, um den Kunststoff Polyethylen herzustellen. Aus dem bestehen beispielsweise Plastiktüten.

1995: Wie Ozonlöcher entstehen

Paul Crutzen, Mario Molina und Frank Rowland erforschten die Chemie der Erdatmosphäre, insbesondere die Bildung und den Abbau von Ozon. Die drei Forscher zeigten auch, wie empfindlich die Ozonschicht auf menschengemachte Emissionen reagiert und erklärten damit das Ozonloch. Das war dem Nobelpreiskomitee eine Auszeichnung wert.

2008: Grün leuchtende Mäuse

Etwas abgehoben wird es doch noch: Wenn es um das grün fluoreszierende Protein geht. Das erforschten Osamu Shimomura, Martin Chalfie und Roger Tsien. Das Eiweiß kommt natürlicherweise in einigen Quallenarten vor. Mit der Gentechnik stellen es auch Mäuse her. So lassen sich Stoffwechselprozesse im lebenden Organismus beobachten.

2013: Chemie im Cyberspace

Computerprogrammen analysieren komplexe chemische Strukturen, zerpflücken sie und kombinieren sie kreativ wieder neu. So lassen sich ihre Reaktionen voraussagen. Die drei Nobelpreisträger Martin Karplus, Michael Levitt und Arieh Warshel legten den Grundstein dafür. Und bereiteten damit auch den Weg für die Entwicklung von Medikamenten am Computer.

2014: Helden der Mikroskopie

Der deutsche Physiker Stefan Hell und die beiden US-Amerikaner Eric Betzig und William Moerner entwickelten eine neue Mikroskopie-Methode. Diese verschiebt die Grenzen der Lichtmikroskopie in den Nanobereich - und selbst lebendes Gewebe, etwa Krebszellen, lassen sich damit eingehend untersuchen.

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