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Chemie-Nobelpreis 2018 : Die Zähmung der Evolution

  • -Aktualisiert am

Diese Schimmelpilzart ist in der Lage, durch gentechnische Manipulation große Mengen an verschiedenen technisch nutzbaren Enzymen zu bilden. Die Wegbereiter dafür erhalten den Nobelpreis für Chemie 2018. Bild: ddp, BASF

Der Nobelpreis für Chemie ehrt in diesem Jahr die Amerikanerin Frances H. Arnold, ihren Landsmann George Smith sowie an den Briten Gregory Winter. Die drei Wissenschaftler haben die Prinzipien der Evolution nutzbar gemacht und so Möglichkeiten für die Herstellung von Arzneimitteln und Biokraftstoffen geschaffen.

          Der Nobelpreis für Chemie ehrt in diesem Jahr drei Wissenschaftler, die mit den Methoden der Evolution nach gänzlich neuen Proteinen und Antikörpern für Medizin und Biotechnologie gesucht haben. Eine Hälfte erhält die Amerikanerin Frances H. Arnold vom California Institute of Technology in Pasadena, die andere Hälfte geht an den Amerikaner George P. Smith von der University Missouri in Columbia und an den Engländer Sir Gregory P. Winter vom MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge.

          Die Evolution kennt zwei wesentliche Prinzipien: Mutation und Selektion. Weil die Wissenschaftler nützliche Mutationen aber nicht vorhersagen können und rationales Design am Computer langwierig und schwierig ist, hat Frances H. Arnold ein Verfahren entwickelt, das im Grunde nichts anderes tut als die Natur: Gegebenes durch Mutation und Selektion weiterentwickeln. Sie hat mit diesem Verfahren Proteine isoliert, die stabiler sind als andere, die unter anderen Reaktionsbedingungen funktionieren oder die eine völlig neue Aufgabe lösen können.

          Grüner Treibstoff mit Enzymen

          Wie funktioniert diese gerichtete Evolution? Am Anfang steht das Protein, das optimiert werden soll. Das dazugehörige Gen wird im Reagenzglas mannigfach und mit vielen Fehlern kopiert. Dadurch entstehen unzählige Varianten. In einem ersten Selektionsschritt werden aus diesem Pool bessere Versionen herausgesucht. In weiteren Runden aus Mutation und Selektion werden die im ersten Schritt gefundenen Protein-Varianten weiter optimiert, bis dass das Gewünschte gefunden ist. Dabei geht es nicht um ein perfektes Protein, sondern um eines, das den Anforderungen am besten genügt. Der schwierigste Teil ist die Selektion, weil man dafür einen Test braucht, der genau dies erkennt.

          Frances Arnold in ihrem Labor a Caltech in Pasadena Bilderstrecke

          Um den Pool beliebiger Protein-Varianten auf solche zu reduzieren, die mit einer hohen Wahrscheinlichkeit sinnvolle Treffer sind, hat der im Jahr 2013 verstorbene Niederländer Willem Stemmer dem Verfahren ein weiteres grundlegendes Prinzip der Evolution hinzugefügt: die Rekombination. Statt das Ausgangs-Gen wahllos zu mutieren und dabei reichlich Proteinmüll zu erzeugen, werden nur gleiche Genfragmente aus verschiedenen Organismen gemischt. Wenn diese Gene über die Evolution miteinander verwandt sind, können sie auch Stücke austauschen und sinnvolle Varianten bilden. Rekombination ist auch das grundlegende Prinzip für die Schaffung neuer Varianten bei der geschlechtlichen Fortpflanzung.

          Frances Arnold hat mit diesen Prinzipien über die vergangen Jahrzehnte viele Proteine erzeugt, die es in der Natur gar nicht gibt. Sie möchte damit den aktuellen Herausforderungen unserer Zeit begegnen. Eines ihrer Ziele ist zum Beispiel, Treibstoffe und Chemikalien nicht mehr aus fossilen Brennstoffen zu gewinnen, sondern aus erneuerbaren Ressourcen. Die dazu nötigen Enzyme selektiert sie im Labor.

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