Nobelpreis Chemie

Schnappschüsse aus der Zelle

Von Reinhard Wandtner

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Die Chemikerin und Biochemikerin Ada Yonath, Nobelpreisträgerin für Chemie 2009 (hier auf einem Foto von 2007)

07. Oktober 2009 Industriespionage gilt zu Recht als verwerflich. Wer ertappt wird, muss mit Strafe rechnen. Auch die Zelle, der Grundbaustein des Lebens, ähnelt einer Fabrik. Es ist die komplizierteste, die man sich vorstellen kann. Die Maschinen und Betriebsabläufe dieses Wunderwerks auszuspionieren, ist glücklicherweise nicht strafbar, sondern höchst erwünscht. Es winken hohe wissenschaftliche Auszeichnungen.

So wird der diesjährige Chemie-Nobelpreis für Forschungen vergeben, die dazu geführt haben, dass man den Aufbau und die Funktion der zellulären Proteinfabriken, der Ribosomen, besser verstehen kann. Die Amerikaner Venki Ramakrishnan und Thomas Steitz sowie die israelische Forscherin Ada Yonath haben in mühevoller, von Rückschlägen geprägter Arbeit das Konstruktionsprinzip dieser Nanomaschinen sozusagen Atom für Atom entschlüsselt.

Venkatraman Ramakrishnan, Nobelpreisträger für Chemie gemeinsam mit Ada Yonath und Thomas Steitz

Die moderne Biologie ist weithin eine Biologie der Gene. Das grenzt mitunter an einen Starkult. Dass das Erbmaterial, die Desoxyribonukleinsäure DNS, für sich genommen nichts bewirken kann, gerät dabei manchmal etwas in Vergessenheit. Das Gen ähnelt einem Buch, das in einer Bibliothek im Regal verstauben würde, käme nicht ab und zu ein Leser, der Nutzen aus dem Text zieht.

Die unverzichtbaren zellulären Nanomaschinen

In der Zelle übernehmen die Ribosomen diese Rolle. Sie sind es, die dem in der DNS kodierten genetischen Text einen Sinn geben, indem sie den Anweisungen gemäß Eiweißmoleküle zusammenbauen. Als Vorlage dient ihnen eine Blaupause der DNS, die Boten-Ribonukleinsäure. Kodons auf ihr legen fest, welche Aminosäuren, herangeschafft von Transfer-Ribonukleinsäuren, zu einer Eiweißkette aneinandergereiht werden. Ohne Ribosomen blieben die Gene stumm.

Wie diese Nanomaschinen aufgebaut sind und wie sie arbeiten, war eine der drängenden Fragen, die sich den Molekularbiologen seit ungefähr der Mitte des vergangenen Jahrhunderts stellte. Man versuchte, sich ein Bild von den Eiweißfabriken zu machen. Denn wie biologische Maschinen funktionieren, wird in der Regel erst verständlich, wenn man deren genaue Struktur kennt. Genau - das bedeutet, möglichst sogar noch die Lage der einzelnen Atome in einem Molekül zu ermitteln.

Als Werkzeug zur Strukturaufklärung im atomaren Maßstab bietet sich die Röntgenkristallographie an. Hierbei wird das Brechungsmuster ausgewertet, das entsteht, wenn Röntgenstrahlen durch die zu untersuchenden Moleküle geschickt werden. Voraussetzung ist, dass die Moleküle als reine Kristalle vorliegen.

Ribosomen zu Kristallen

Ribosomen sind komplexe, aus zwei Untereinheiten bestehende Gebilde. Bei den Ribosomen des Menschen setzt sich die kleinere Untereinheit aus einer langen Ribonukleinsäure und 32 Proteinen zusammen. Die größere Untereinheit enthält sogar drei Ribonukleinsäuren und 46 Proteine. Man hat es demnach jeweils mit Tausenden von Nukleotiden und Aminosäuren - den Bausteinen der Proteine - zu tun. Derart große Gebilde in Kristallform zu überführen, galt als praktisch aussichtslos. Aber Ada Yonath vom Weizmann-Institut in Rehovot (Israel) ließ sich nicht abschrecken.

Ribosomen, hübsch gefärbt

In den siebziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts begann sie mit der Züchtung von Ribosomen-Kristallen. Es war ein dorniger, von ständigen Rückschlägen gekennzeichneter Weg. Manche Kollegen quittierten die scheinbar unsinnigen Experimente mit Kopfschütteln. Aber die Forscherin blieb beharrlich, zumal sie bei einem Aufenthalt am Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik in Berlin auf eine Goldader stieß - auf große Mengen aufwendig gereinigter Kristalle von bakteriellen Ribosomen. Im Jahr 1980 wurde Ada Yonath ein kleiner Triumph zuteil, als es ihr gelang, Kristalle von der großen Ribosomen-Untereinheit zu züchten. Die Kristalle waren freilich alles andere als rein. Erst zu Beginn der neunziger Jahre hatte die Forscherin endlich Kristalle von ausreichender Qualität zur Hand.

Das „Phasenproblem“

Im Laufe der Zeit hatten sich auch andere Forscher den Ribosomen zugewandt. Zu ihnen zählen die Gruppen um Thomas Steitz und Venkatraman Ramakrishnan. Die Aufklärung der genauen Struktur stand allerdings weiterhin nur auf der Wunschliste. Das lag an einer Schwachstelle der Röntgenstrukturanalyse, dem Umstand, dass man die Phase der Röntgenstrahlen nach dem Durchdringen des Kristalls nicht kennt. Das erschwert die Lokalisierung der Atome erheblich.

Einen Ausweg aus dem „Phasenproblem“ bildet die Behandlung der Kristalle mit Schwermetall-Ionen. Weil Ribosomen aber so groß sind, lagern sich zu viele Metall-Ionen an. Diese Hürde konnte Thomas Steitz nehmen. Anhand elektronenmikroskopischer Bilder, die ein Kollege gewonnen hatte, ermittelte er die Ausrichtung der Ribosomen im Kristall. Das half, das Phasenproblem zu überwinden.

Das Innere der Proteinfabriken

In den Jahren 1999 und 2000 legten Ramakrishnan, Steitz und Yonath exakte „Bilder“ von Ribosomen vor, auf denen die Lage der einzelnen Atome abzulesen war. Man darf daher sagen, dass die drei Forscher, denen jetzt der Chemie-Nobelpreis zugesprochen wurde, gleichzeitig die Zielllinie überschritten haben. Ihre Ergebnisse eröffneten faszinierende Einblicke in die geheimnisumwitterten Proteinfabriken der Zelle.

So lieferten Ramakrishnans Arbeiten eine Vorstellung davon, wie die Qualitätskontrolle bei der Proteinsynthese erfolgt. In der kleinen Untereinheit wird demnach der Abstand zwischen der Boten-Ribonukleinsäure und der sich gerade anlagerndem Transfer-Ribonukleinsäure geprüft. Bei Abweichungen wird der entsprechende Baustein nicht angenommen. Dadurch kommt es nur in einem von 100 000 Fällen zu einem Fehler am Fließband, obwohl pro Sekunde rund zwanzig Verbindungen geknüpft werden.

Inzwischen konnte man sogar Schnappschüsse von der Arbeit der Proteinfabriken machen. Hierzu frieren die Forscher die Ribosomen in verschiedenen Stadien blitzschnell ein und ermitteln dann die genaue Struktur. Das Wissen um Struktur und Funktion der Ribosomen ist keineswegs nur von akademischem Interesse. Vielmehr profitiert auch die Medizin davon, denn viele Antibiotika zur Bekämpfung von Bakterien hemmen die Proteinsynthese. Allerdings wächst die Zahl der Resistenzen. Dass man jetzt den Aufbau und die Arbeitsweise der Ribosomen genauer kennt, lässt sich möglicherweise bei der Entwicklung von neuen Antibiotika nutzen.

Der Nobelpreis für Chemie geht in diesem Jahr an Venkatraman Ramakrishnan, Thomas Steitz und Ada Yonath. Das teilte die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm mit.

Die Wissenschaftler erhalten die Ehrung für die Entdeckung der Struktur und Funktion der Ribosomen in Zellen. Erst diese Synthese-Fabriken der Zelle verfertigen die Bausteine des Lebens, nämlich die Proteine. Die „Vorlage“ der DNA im Zellkern wird dabei in einer RNA-Form zu den Ribosomen transportiert, wo die Proteine zusammengesetzt werden. Jede Zelle besitzt zahlreiche dieser Proteinfabriken.

Ribosomen lesen die RNA- Blaupause wie einen Lochstreifen nach und nach ein und fügen daraufhin Stück für Stück das darin codierte Protein aus einzelnen Aminosäuren zusammen. Die Größe der Ribosomen ist für die Arbeit im Labor eine besondere Herausforderung. Ihren Aufbau mit Röntgenstrahlen zu aufzuklären, wozu sie zuerst in Kristallform gebracht werden mussten, war einer der Fortschritte, für den die diesjährigen Preisträger geehrt werden.

Text: FAZ.NET
Bildmaterial: ddp, dpa

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