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Chemie-Nobelpreis:Nobelpreis für ein eiskaltes Mikroskop

Kryo-Elektronenmikroskop-Aufnahme eines Proteins: Seit 2013 hat sich die Auflösung drastisch verbessert, Forscher können sogar einzelne Atome ausmachen - links im Bild vor 2013, rechts der heutige Stand.

(Foto: Martin Högbom/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Die Chemie-Preisträger Dubochet, Frank und Henderson haben ein Mikroskop erfunden, in dem komplexe Biomoleküle bei minus 200 Grad eingefroren werden. Das ermöglicht völlig neue Einblicke, wie das Leben funktioniert.

Von Kathrin Zinkant

Wer schon einmal eine Flasche Bier im Eisfach vergessen hat, der weiß, was mit gefrorenem Wasser passiert: Es verändert sich, dehnt sich aus, bringt Glas zum Springen. Und das gilt nicht nur fürs Bier, sondern für sämtliche Lebensformen auf der Erde. Sie alle haben sich in Wasser entwickelt, bestehen im Wesentlichen aus Wasser - und damit ist auch jedes einzelne ihrer Biomoleküle in seiner Form und in seiner Funktion von flüssigem Wasser abhängig. Gefriert das Lebenselixier zu Eis, verbiegen und verändern sich auch die darin schwimmenden Biomoleküle. Die Prozesse des Lebens im Detail zu verstehen ist dann unmöglich.

Es ist eine der Leistungen von Jacques Dubochet, die Anomalie des Wassers mit einem Trick elegant umgangen und damit einer Technik den Weg geebnet zu haben, die einen unverstellten Blick auf die Molekülkomplexe des Lebens erlaubt. Gemeinsam mit dem Amerikaner Joachim Frank und dem Schotten Richard Henderson erhält der in Lausanne forschende Schweizer den Chemie-Nobelpreis für "die Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie zur hochauflösende Strukturbestimmung von Biomolekülen in Lösung". So teilte es das Nobelpreiskomitee der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften am Mittwoch in Stockholm mit.

Die Proben werden blitzartig auf Minus 200 Grad eingefroren

Kryo-Elektronenmikroskopie bedeutet, dass es den Forschern gelungen ist, Molekülkomplexe in gefrorenem Zustand für die Elektronenmikroskopie überhaupt zugänglich zu machen. Die drei Laureaten haben damit ein massives Sichtbarkeitsproblem der Lebenswissenschaften gelöst. Denn moderne Lichtmikroskope machen Biomoleküle wie Proteine und Nukleinsäuren zwar erkennbar, liefern aber keine genauen Informationen über ihre Struktur. Auf der anderen Seite lassen sich einzelne Proteine und andere Moleküle kristallisieren und dann mithilfe von hochenergetischer Strahlung untersuchen. Es reicht in der Biochemie aber nur selten aus, die Form eines einzelnen Eiweißmoleküls oder einer Nukleinsäure zu kennen, denn die entscheidenden Prozesse finden statt, wenn sich zwei oder mehr solcher Makromoleküle aneinanderschmiegen und sogenannte Molekülkomplexe bilden.

Ein Beispiel ist das Ribosom, das in der Zelle die überlebenswichtige Funktion der Biosynthese von Proteinen erfüllt. Obwohl das Ribosom bereits in den 1950er Jahren entdeckt wurde, gelang es mit den herkömmlichen kristallografischen Verfahren erst 2005, die Struktur des Makromoleküls im Detail aufzulösen. Eine Jahrzehnte lange Fleißarbeit, die 2009 ihrerseits mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt wurde. Für die Reihenuntersuchung der zahllosen Molekülkomplexe in biochemischen Prozessen ist das Verfahren allerdings nicht praktikabel.

Chemie

Der Schweizer Jacques Dubochet, der in Deutschland geborene US-Amerikaner Joachim Frank und der Brite Richard Henderson (von links nach rechts) teilen sich dieses Jahr den Nobelpreis für Chemie.

(Foto: Jonathan Nackstrand/AFP)

Bereits in den 1970er Jahren haben die nun ausgezeichneten Wissenschaftler deshalb einen Weg gesucht, die Elektronenmikroskopie auf Biomoleküle in Wasserfilmen anwendbar zu machen. Dubochet gelang es, durch blitzartiges Einfrieren der Proben auf fast minus 200 Grad Celsius den flüssigen Charakter des Wassers zu konservieren. Frank entwickelte eine Methode, aus verschiedenen Aufnahmen auf dreidimensionale Strukturen zu schließen. Und schließlich gelang es Henderson, der zuletzt in Cambridge forschte, die erste Kryo-elektronenmikroskopische Struktur eines Biomoleküls zu ermitteln.

"Diese drei hatten die entscheidenden Ideen und Visionen"

Auch die diesjährigen Preisträger haben über Jahrzehnte hinweg vor allem eines bewiesen: Zähigkeit. Denn die Geschichte der Kryo-Elektronenmikroskopie war gepflastert mit technischen Hürden - und wahrlich nicht gesegnet mit Anerkennung durch die Kollegen aus den Lebenswissenschaften. "Diese drei Forscher haben das Feld vorangetrieben zu einer Zeit, in der man sie dafür nur belächelt hat", sagt Holger Stark vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen, der während seiner Promotion zum Teil von Henderson finanziert worden war. "Insofern waren zwar sehr viele Forscher am heutigen Erfolg der Kryo-EM beteiligt, aber diese drei hatten die entscheidenden Ideen und Visionen".

Auch Christian Spahn vom Institut für Medizinische Physik und Biophysik erinnert sich noch an Zeiten, in denen kaum jemand geglaubt hätte, dass das Verfahren einmal zu einer Flut an Top-Publikationen führen würde - so, wie es heute der Fall ist. "Über viele Jahre war das ein sehr kleines Forschungsfeld." Die diffusen Bilder der frühen Kryo-Elektronenmikroskope bescherten der Technik den wenig charmanten Spitznamen "Blobology", Blubberkunde. Spahn hat nach seiner Promotion vier Jahre lang im Labor von Joachim Frank geforscht. Da war Frank noch am Wadsworth Center in Albany tätig, einer international wenig bedeutenden Institution. Doch der in Weidenau geborene Frank, der seit 1970 fast ausschließlich in den USA lebt und inzwischen auch amerikanischer Staatsbürger ist, ließ sich nicht beirren. Der introvertierte, aber herzliche Forscher hat heute den Lehrstuhl für Biochemie an der Columbia University in New York City inne.

© SZ vom 05.10.2017

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