Nobelpreis-Medaille für Chemie
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Auf der Vorderseite sind sie gleich, der Unterschied liegt in der Kehrseite der einzelnen Medaillen.
Bis ins kleinste Detail
Drei Forschern gelang es, Biomoleküle bis zum letzten Atom aufzulösen
Der Nobelpreis für Chemie 2017 geht an Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson für die Kryoelektromikroskopie, mit der man Biomoleküle sichtbar machen kann.
Dass hochkarätige Wissenschaftler nicht kompliziert und trocken sein müssen, stellt Jacques Dubochet (75) schon mit seinem offiziellen Lebenslauf unter Beweis. "Von optimistischen Eltern gezeugt", steht da zu seinem Zeugungsjahr 1941. Dass er mit fünf Jahren die Angst vor der Dunkelheit verlor, ist ihm auch einen Eintrag wert. "Für mich war es wichtig, mich meinen Ängsten zu stellen und das Beängstigende zu verstehen", sagte er in einem Interview später. Als er als kleiner Junge wieder einmal die Sonne hinter dem Horizont verschwinden sah, sei er zur Bücherei gegangen, um herauszufinden, wo die Sonne blieb. Seine wissenschaftliche Neugier war geweckt. Dubochet schreibt auch, dass er mit 14 Jahren als erster Schüler seiner Region die offizielle Diagnose Dyslexie bekam - eine Leseschwäche. "Das erlaubte mir, schlecht in allem zu sein, und Leute mit Schwierigkeiten zu verstehen." Dubochet ist ein alter Linker, wie er schreibt, mit einer Liebe für Berge und Natur. Er hat sich viele Gedanken über das Wesen des Wissenschaftlers gemacht.  © epa Jacques Dubochet
Schon als kleiner Junge experimentierte Joachim Frank, damals meist unter der Terrasse seines Elternhauses in Siegen. "Als ich 12 oder 13 war, habe ich die ersten Teile gekauft, um Radios zu bauen, sehr kleine Geräte", erinnerte sich Frank. "Später habe ich dann alte Radios auseinandergebaut und wieder zusammengesetzt." 1940 in Siegen geboren, zieht es Frank nach dem Abitur zunächst an die Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg und dann an die Ludwig-Maximilians-Universität in München. Seinen Doktortitel bekommt er von der Technischen Universität in München - und ein Stipendium für einen Forschungsaufenthalt in den USA. Danach ist Frank, verheiratet und Vater zweier Kinder, zunächst wieder in Europa, bis er schließlich 1986 Professor für Biomedizin in Albany im US-Bundesstaat New York wird. Seit 2008 forscht und lehrt er an der Elite-Universität Columbia in der Millionenmetropole New York. Neben seiner offiziellen Webseite von der Columbia University in New York hat Joachim Frank noch eine zweite - "FranxFiction" - auf der er Fotos und Literatur veröffentlicht. © epa Joachim Frank
Die Wissenschaft wurde Richard Henderson (72) nicht gerade in die Wiege gelegt. Er sei ein "schottischer Bauernbursche" gewesen, der von einem Stipendien-System nach dem Krieg profitiert habe, sagte er, nachdem er 2016 die Copley-Medaille erhalten hatte. "Viele meiner (intelligenten) Freunde verließen die Schule mit 15, um zu arbeiten." Seine Eltern hätten jedoch eine Unterstützung bekommen, damit sie ihn ermutigten, im Schulsystem zu bleiben. Auf wissenschaftliche Auszeichnungen habe er nicht hingearbeitet. "In meinen Augen ist meine Forschung ein fesselndes Hobby, das wirklich faszinierend ist, denn es wiederholt sich nichts und es ist immer wieder neu." Das Schlimmste an der Arbeit sei die zunehmende Bürokratie, doch es gebe in Großbritannien schon Ansätze dagegen. Er erhole sich beim Hundeausführen, Kajakfahren oder Fußballspielen mit seinen Enkeln. Zudem sei er schon immer Filmfan gewesen. © epa Richard Henderson

Mit den Methoden der drei Nobelpreisträger ist es gelungen, die Struktur von Biomolekülen hochaufgelöst sichtbar zu machen. "Diese Methode hat eine neue Ära der Biochemie eingeläutet", hieß es vom Nobelpreis-Komitee. Nunmehr können Forscher Biomoleküle mitten in der Bewegung einfrieren, ihre Struktur aufklären und so sehen, wie diese arbeiten.

"Wir werden neue Medizin auf einem komplett anderen Level entwerfen können", sagte Nobeljuror Peter Somfai. "Jetzt können wir die Enzyme, die Moleküle des Lebens, in Aktion sehen." Mit Kryo-Elektronenmikroskopie sei vor kurzem ein exzellentes Bild des Zika-Virus gelungen. "Jetzt haben wir eine neue Sicht darauf, wie man ihn angreifen kann", sagte der Spezialist für organische Chemie an der Universität Lund. Das gleiche gelte für Bakterien. "Wir haben nun eine komplett neue Möglichkeit, Medikamente gegen resistente Bakterien zu entwickeln."

Die Nobelpreisträger hatten mehrere Probleme zu lösen
Biomoleküle sind ein Problem für Elektronenmikroskopiker: Die Probe muss als Kristall vorliegen - die Struktur der meisten Biomoleküle gibt das aber nicht her. Ihre natürliche Form haben sie zudem in der Regel nur in wässriger Lösung. Doch genau das Wasser darf nicht ins Vakuum des Elektronenmikroskops gelangen. Und der Elektronenstrahl ist sehr energiereich und zerstört die Moleküle binnen kürzester Zeit, bevor ein anständiges Bild gelingt. Das ist zudem nur zweidimensional und sagt damit wenig über die Struktur. Hier setzten die Arbeiten der drei Chemie-Nobelpreisträger an.

Der deutsch-amerikanische Physiker Joachim Frank entwickelt 1986 eine Methode, mit der man aus den bisher zweidimensionalen Aufnahmen der herkömmlichen Elektronenmikroskopie (EM) ein scharfes, dreidimensionales Bild erstellen kann. Doch bis 1990 blieb es dabei: Das geht nur mit nicht-lebendem Material.

Erst dem Briten Richard Henderson gelang es, dies zu ändern und Biomoleküle bis zu ihren Atomen zu erfassen, ohne sie zu zerstören. Dazu griff er zu einem schwächeren Strahl. Das ließ das Bild jedoch verschwommen werden. Da er jedoch mit Membranproteinen arbeitete, die sich regelmäßig anordnen, griffen er und sein Team zu einem mathematischen Kniff: Da alle untersuchten Proteine gleich orientiert waren, streuten sie auch den Elektronenstrahl in ähnlicher Weise. Das ergab ein Beugungsmuster, aus dem sich mit mathematischen Methoden die Struktur zurückrechnen ließ. Bekannt ist dies aus der Röntgenstrukturanalyse - eine Methode, mit der Henderson zuvor schon gearbeitet hatte. Erleichternd kam hinzu, dass Membranproteine sich nicht in Wasser lösen, sondern in der öligen Membran.

Erst der Schweizer Jacques Dubochet gab dann Wasser hinzu: Für herkömmliche EM-Bilder muss die Probe trocken sein; da der Elektronenstrahl zudem in einem Vakuum arbeitet, würde Wasser ohnehin verdunsten. Dubochet kühlte das Wasser dagegen so schnell herunter, dass es rund um die Probe fest wurde. Das brachte auch mit sich, dass die Biomoleküle nicht ihre Form verändern - die Form, die man ja gerade aufklären möchte. Ihre Gestalt hängt wesentlich vom umgebenden Wasser ab.

Reaktionen: "Diesen Satz habe ich wieder und wieder gesagt"

Der Anruf des Nobel-Komitees hat den neuen Chemie-Nobelpreisträger Joachim Frank so überwältigt, dass er sich am Telefon ständig wiederholte. "Das sind wundervolle Neuigkeiten.' Diesen Satz habe ich wieder und wieder gesagt", berichtete der 77-Jährige nach Verkündung des Preises in Stockholm. "Ich dachte, die Chancen seien winzig." In diesem Fall habe es ihn nicht gestört, früh aus dem Bett geklingelt zu werden.

Nobelpreise 2017
"And the winner is ..."
Ab Montag werden die diesjährigen Nobelpreisgewinner bekannt gegeben. Wir stellen vor, was die Forscher in der Medizin, Biologie, Physik und Chemie geleistet haben.