https://www.faz.net/-gwz-7iaqo

Nobelpreis für Chemie : Chemie ganz ohne Reagenzglas

Simulation einer Proteinfaltung Bild: UW Center for Game Science

Der Chemie-Nobelpreis wird in diesem Jahr drei Forschern zuerkannt, die gezeigt haben, wie man die Struktur komplexer Moleküle elegant mit Computern modellieren kann.

          3 Min.

          Genaue Beobachtung der Natur, ausgeklügelte Experimente und zündende Ideen waren lange Zeit die einzigen Prinzipien, auf die sich die Chemiker bei ihren Synthesen stützten konnten. Plastikbälle und Stangen waren häufig die Hilfsmittel der Wahl, um sich eine Vorstellung von der Gestalt eines Moleküls oder einer Verbindung machen zu können. Die Eigenschaften von Molekülen und den Verlauf chemischer Reaktionen auch mathematisch darzustellen schien völlig undenkbar. Das hat sich mit dem Aufkommen der Computertechnik Anfang der siebziger Jahre drastisch geändert. Dank leistungsfähiger Algorithmen können heutzutage die komplexesten chemischen Reaktionen simuliert und die kompliziertesten Biomoleküle am Bildschirm modelliert werden.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Zu verdanken ist der Fortschritt dem besseren Verständnis der physikalischen Naturgesetze sowie der rasanten technischen Entwicklung der vergangenen Jahrzehnte, vor allem aber jenen Wissenschaftlern, deren theoretische Arbeiten erst die Grundlagen dafür geschaffen haben. Für ihre „Arbeiten zum besseren Verständnis komplexer chemischer Prozesse“ erhalten die drei amerikanischen Chemiker Martin Karplus von der Harvard University in Cambridge, Michael Levitt von der Stanford University School of Medicine und Arieh Warshel von der University of Southern California in Los Angeles dieses Jahr den Nobelpreis für Chemie zuerkannt, wie die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften am Mittwoch in Stockholm ihre Entscheidung begründete.

          Chemie mit Quanten

          Noch vor hundert Jahren erinnerte die Chemie bisweilen mehr an eine Kunst als an eine seriöse Wissenschaft. Das hat sich mit dem Aufkommen der Quantentheorie in den zwanziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts und dem damit verbundenen immer besseren Verständnis vom Aufbau der Atome und Moleküle gewandelt. Hatten die Forscher bis dahin allein aus ihren experimentellen Beobachtungen heraus Modelle und Regeln entwickelt, stand nun erstmals mit der Quantenmechanik eine mathematisch formulierte Theorie zur Verfügung, mit der etwa das Phänomen der chemischen Bindung erstmals plausibel erklärt werden konnte. Man erkannte zudem, dass bei chemischen Reaktionen die Wanderung von Elektronen von einer der beteiligten Substanzen zu einer anderen eine zentrale Rolle spielt.

          Chemie mit Billardkugeln

          Doch waren die quantenmechanischen Formeln und Gleichungen viel zu komplex, als dass man sie mit den damals zur Verfügung stehenden Mitteln hätte lösen können. Erst die Entwicklung leistungsfähiger Computer und mathematischer Modelle ermöglichten es, zumindest kleine Moleküle auf Grundlage von quantenphysikalischen Prinzipien zu beschreiben und den Verlauf einfacher Reaktionen zu simulieren.

          Wollte man allerdings größere Moleküle wie Proteine oder Polymere modellieren, so musste man notgedrungen auf die einfachen und wohlbekannten Prinzipien der klassischen Physik zurückgreifen. Diese waren leichter handhabbar, da sie Atome und Moleküle wie kleine Billardkugeln behandelten, die in einer chemischen Reaktion zusammenstoßen und sich miteinander verbinden, wenn es die Bedingungen zulassen. Für viele Chemiker war das ein höchst unbefriedigendes Bild, und sie suchten deshalb nach einem Ausweg.

          Martin Karplus, Österreicher und Amerikaner

          Ein Besuch brachte den Stein ins Rollen

          Aus diesem Grund besuchte Anfang der siebziger Jahre der Chemiker Arieh Warshel seinen Kollegen Martius Karplus in Harvard, um mit ihm einen neuen Ansatz zu diskutieren. Warshaw kannte sich auf dem Gebiet der Moleküle aus, und Karplus war Experte auf dem damals gerade aufkommenden Gebiet der Quantenchemie. Beide Theoretiker entwarfen ein Computerprogramm zur Beschreibung eines eindimensionalen organischen Kettenmoleküls, das aus 18 Kohlenstoff- und 16 Wasserstoffatomen bestand. Dabei verfolgten sie einen ungewöhnlichen Ansatz: Die Elektronen, die für die Bindung der Atome untereinander sorgten, behandelten sie wie quantenmechanische Wellen, die über das gesamte Molekül gleichmäßig verschmiert sind. Die Kerne der Kohlenstoff- und Wasserstoffatome betrachteten sie indes als starre klassische Teilchen.

          Arieh Warshel: Glückwüsche von Shimon Peres

          Sprung vom flachen zum voluminösen  Molekül

          Zur Überraschung von Warshel und Karplus lieferte das simple Hybrid-Modell hervorragende Aussagen über die Gestalt des Kohlenwasserstoff-Moleküls, die sich mit den experimentellen Befunden deckten. Doch funktionierte das Programm zunächst nur für flache symmetrische Kohlenwasserstoffe. Für dreidimensionale Makromoleküle aus einigen Dutzend Atomen versagte es. Verfeinerungen bei der Behandlung der Elektronen, die Arieh Warshel gemeinsam mit Michael Levitt von der Stanford School of Medicine vornahm, lieferten die Lösung.

          Michael Levitt in seinem zu Hause in Stanford

          Vereinfachungen und Verfeinerungen

          Es zeigte sich, dass man nur einige Bindungselektronen streng quantenchemisch beschreiben musste. Die übrigen konnte man wie die Atomkerne nach rein klassischen Maßstäben betrachten, trugen sie zur Darstellung des Moleküls doch nur unwesentlich bei. Mit diesen Verbesserungen war es Warshel und Levitt 1976 möglich, das Enzym Lysozym, das wegen seiner antibakteriellen Eigenschaften ein Bestandteil des Immunsystems ist, am Computer realistisch zu modellieren. In weiterführenden Forschungen war es den beiden frisch gekürten Laureaten sogar gelungen, auch die Faltung eines Proteins, das in der Bauchspeicheldrüse von Rindern vorkommt, zu simulieren. Es zeigte sich, dass man ganze Atomgruppen des Eiweißmoleküls vernachlässigen konnte, die am Faltungsprozess unbeteiligt waren. Sie waren nur starre Statisten.

          Die Arbeiten von Karplus, Levitt und Warshel bildeten den Ausgangspunkt für die weitere Entwicklung besserer und detailreicherer Computermodelle von Proteinen und anderen organischen Makromolekülen. Die Simulation und Modellierung von Biomolekülen mit leistungsfähigen Computern ist für die Entwicklung von Wirkstoffen und Arzneien unerlässlich geworden.

          Die Laureaten

          Michael Levitt, 1947 in Pretoria geboren, erlangte seine Doktorwürde 1971 an der University in Cambridge. Nach einigen Gastaufenthalten in Israel wechselte er 1987 an die Stanford University.

          Arieh Warshel wurde 1940 im Kibbuz Sde-Nahum in Israel geboren und 1969 am Weizmann-Institut promoviert. Danach wechselte er nach Harvard, Seit 1979 forscht er in Los Angeles.

          Martin Karplus ist 1930 in Wien geboren worden. 1938 floh er aus Österreich und ging über die Schweiz in die Vereinigten Staaten. Dort wurde er 1953 am California Institute of Technology promoviert. Bis zu seiner Emeritierung lehrte und forschte er an der Harvard University.

          Weitere Themen

          Von Hühnern und Physikern

          Netzrätsel : Von Hühnern und Physikern

          Es gibt so gut wie nichts, was es nicht gibt im Netz der Netze: Geniales, Interessantes, Nützliches und herrlich Überflüssiges. Diesmal: Die Hühnchenfrage im Spiegel der Wissenschaft.

          Topmeldungen

          Ärger beim FC Bayern : „Ich könnte durchdrehen“

          Joshua Kimmich kocht nach dem 1:2 der Bayern in Gladbach vor Wut, Thomas Müller faucht, Hasan Salihamidzic ist ratlos. Und Trainer Hansi Flick wirkt angeschlagen. Die Münchner haben ein großes Problem.
          Bei welcher Krankenkasse man unter welchen Bedingungen durch Vorauszahlungen Geld sparen kann, hängt auch vom Einzelfall ab.

          Die Vermögensfrage : Mit Vorauszahlungen Steuern sparen

          Wer seine Krankenversicherungsbeiträge im Voraus bezahlt, kann damit nicht unbeträchtlich Steuern sparen. Ob dies im Einzelfall immer möglich ist, hängt allerdings auch von Versicherung und Krankenkasse ab.

          Newsletter

          Immer auf dem Laufenden Sie haben Post! Abonnieren Sie unsere FAZ.NET-Newsletter und wir liefern die wichtigsten Nachrichten direkt in Ihre Mailbox. Es ist ein Fehler aufgetreten. Bitte versuchen Sie es erneut.
          Vielen Dank für Ihr Interesse an den F.A.Z.-Newslettern. Sie erhalten in wenigen Minuten eine E-Mail, um Ihre Newsletterbestellung zu bestätigen.