Mit der Kraft der Natur

Drei Wissenschafter setzten auf die Evolution, um Wirkstoffe gegen Krankheiten zu entwickeln und chemische Reaktionen schneller und günstiger zu machen. Dafür erhalten sie den Nobelpreis.

Ein «arroganter Ansatz»: Frances Arnold nutzt die Evolution im Reagenzglas. Foto: Epa

Ein «arroganter Ansatz»: Frances Arnold nutzt die Evolution im Reagenzglas. Foto: Epa

Feedback

Tragen Sie mit Hinweisen zu diesem Artikel bei oder melden Sie uns Fehler.

Den Zufall nutzen statt akribischer Planung: Das bescherte einer Wissenschafterin und zwei Wissenschaftern den diesjährigen Nobelpreis für Chemie. Etwas Demut gehörte auch dazu, denn Frances Arnold, George Smith und Greg Winter anerkennen, dass die Evolution einfach besser darin ist, Lebensprozesse zu optimieren, als das Forscher durch gezieltes Tüfteln könnten. Ihre besondere Leistung ist, die Evolution einzusetzen, um im Labor schnell und günstig Prozesse zu optimieren. Damit hätten die Laureaten einen grossen «Nutzen für die Menschheit» erbracht, befand die Königliche Schwedische Akademie der Wissenschaften.

Die drei Forscher haben mit ihren bahnbrechenden Methoden Wirkstoffe entwickelt, die Krebs oder rheumatoide Arthritis bekämpfen und chemische Reaktionen erleichtern, die zuvor nicht möglich waren. So können beispielsweise Biotreibstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen wie Zellulose hergestellt werden und einmal fossile Brennstoffe ersetzen.

Die Amerikanerin Frances Arnold vom California Institute of Technology in Pasadena erhält die Hälfte des Preisgeldes, während sich Smith und Winter die andere Hälfte teilen. Zwei der Laureaten sind der ETH Zürich eng verbunden. Greg Smith erhielt 2002 die Ehrendoktorwürde, Frances Arnold 2015.

Viola Vogel, Professorin an der ETH Zürich im Department für Gesundheitswissenschaften und Technologie, kennt Frances Arnold seit langem sehr gut. «Ich bin voller Freude für sie», sagt Vogel. «Sie hat den Nobelpreis sehr verdient.» Arnold sei seit über 20 Jahren am Ball geblieben – und das gegen alle Widerstände. Denn am Anfang sei die Chemie-Ingenieurin extrem kritisiert worden.

Rebellisch als Jugendliche

Die heute 62-jährige Arnold war schon in ihrer Jugend durchsetzungsfähig – und rebellisch, wie sie vor einigen Jahren der «Los Angeles Times» verriet. Sie verliess früh ihr Elternhaus, weil ihr die strenge Erziehung nicht passte. Mit 17, als sie noch zur Highschool ging, nahm sie sich ein eigenes Apartment und finanzierte die Miete, indem sie Taxi fuhr und in einem Jazzclub kellnerte – wo sie behauptete, sie sei 22. Inzwischen ist die Mutter von drei Söhnen eine etablierte, mit vielen Preisen und Ehrungen ausgezeichnete Forscherin.

Ihr Motto sei gewesen: «Wenn ein Versuch nicht klappt, werde ich eine Million Experimente machen, und mir ist egal, wenn 999999 nicht klappen», sagte sie der «Los Angeles Times».

Co-Preisträger George Smith und Greg Winter. Fotos: Reuters

Vor dem einen bahnbrechenden Experiment hatte Frances Arnold zunächst versucht, Enzyme – das sind Biokatalysatoren – mit einem logischen Ansatz zu optimieren, so wie alle anderen Kollegen zu der Zeit. Bald musste sie einsehen, dass die Proteine einfach zu komplex sind, um an ihnen systematisch an einzelnen Stellen zu schrauben. Die grossen Moleküle können aus mehreren Tausend Aminosäure-Bausteinen bestehen, und da es 20 verschiedene Aminosäuren gibt, sind die Kombinationsmöglichkeiten schier unendlich. Selbst Computerprogramme kommen da an die Grenzen.

Arnold selber nannte es einen «arroganten Ansatz», als sie sich entschloss, die in der Natur seit 3,7 Milliarden Jahren etablierte Methode einzusetzen: die Evolution. Das erste Enzym, das Arnold veränderte, war das sogenannte Subtilisin, ein Enzym, das aus Bakterien stammt und heute zum Beispiel in Waschmitteln Verwendung findet. Das Enzym ist normalerweise nur in wässrigen Lösungen aktiv. Arnold wollte es aber auch in organischen Lösungen einsetzen können. Dazu veränderte sie mit ihren Mitarbeitern das Gen, das die Bauanleitung für das Enzym trägt, durch Mutationen. Eingebaut in Bakterien, produzierten die veränderten Gene Tausende Varianten des Enzyms.

Mutationen sind der erste Schritt in der Evolution. Selektion, also die Auswahl des am besten Angepassten, ist der zweite. Arnold gelang es, die Variante zu finden, die am effektivsten in der organischen Lösung funktionierte. Das Enzym war 256-mal besser als das herkömmliche. Für den Erfolg hatten ganze zehn Veränderungen im Protein gesorgt. Veränderungen, auf die man durch eine logische Herangehensweise nicht so schnell – wenn überhaupt – gekommen wäre.

Grafik vergrössern

«Die Methode hat sich inzwischen auch in der Industrie durchgesetzt», sagt Vogel. «Sie ist schneller und kostengünstiger.» So könne man Enzyme herstellen, die besser arbeiteten als die natürlichen Pendants.

Arnold nutzte in ihrem Reagenzglas zunächst keinerlei lebende Komponenten, deshalb war ihr Ansatz so besonders «spektakulär», wie Vogel sagt. Demgegenüber verwendeten George Smith und Greg Winter Organismen für die gerichtete Evolution im Labor.

George Smith von der University of Missouri, Columbia, kam darauf, Phagen zu nutzen, um unbekannte Gene zu charakterisieren. Phagen sind Viren, die Bakterien befallen. Sie sind sehr einfach aufgebaut, besitzen ein kleines DNA-Erbgut und eine Hülle aus Proteinen. Smith baute mit seinem Team verschiedenste Gene in das Erbgut der Phagen ein, die daraufhin entsprechende Proteine auf der Oberfläche ihrer Hülle bildeten.

Um im nächsten Schritt ein gewünschtes Protein aus der Suppe zu ziehen, nutzte Smith – quasi als Angelhaken – Antikörper. Diese binden ganz spezifisch an Proteine. Wenn nun ein zuvor bekannter Antikörper ein bekanntes Protein aus der Phagen-Suppe zog, konnten die Forscher im Phagen das dazugehörige Gen entschlüsseln.

Die Methode, die «Phagen-Display» genannt wird, etablierte sich weltweit in den Labors – allerdings nicht nur, um Gene ausfindig zu machen. Der dritte Nobelpreisträger, Gregory Winter vom MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, fand eine andere wegweisende Anwendung für die Methode. Er nutzte sie, um spezifische Antikörper gegen Krebszellen herzustellen.

Ein Treffer in Milliarden

Winter brachte Phagen dazu, in ihrer Hülle Teile von Antikörpern zu produzieren, und fischte den exakt passenden Antikörper aus einer Suppe mit vier Millionen Phagen mithilfe eines Moleküls heraus, an das der gewünschte Antikörper bindet. Nun nutzte er die Evolution im Labor, indem er Milliarden von Phagen verwendete, die alle ein etwas verändertes Antikörper-Protein auf ihrer Hülle bildeten. Damit war es möglich, Antikörper für verschiedene Zielproteine zu finden, zum Beispiel solche in Krebszellen oder andere, die bei rheumatoider Arthritis aktiv sind oder das Gift von Milzbrandbakterien neutralisieren.

Grafik vergrössern

«Die Methode ist wirklich genial», sagt Martin Loessner vom Department für Gesundheitswissenschaften und Technologie der ETH Zürich. Der Biologe forscht selbst mit Phagen-Display und ist daran, Spitalkeime, Staphylokokken, die sich im Gewebe von Patienten verstecken, damit aufzuspüren.

So zufällig die Evolution zu Beginn arbeitet, so genial war es von den drei Nobelpreisträgern, sie gezielt für die Menschheit zu nutzen.

Erstellt: 03.10.2018, 22:28 Uhr

Artikel zum Thema

ETH-Ehrendoktorin erhält Nobelpreis für Chemie

Video Die US-Amerikanerin Frances Arnold erhält die Auszeichnung zusammen mit einem Duo für Beiträge zur Entwicklung einer grünen chemischen Industrie. Mehr...

Werkzeuge aus Licht

Infografik Mit Laserstrahlen lassen sich raffinierte Instrumente herstellen: zum Beispiel eine optische Pinzette oder ein Skalpell. Dafür gab es am Dienstag den Nobelpreis für Physik.  Mehr...

Die Redaktion auf Twitter

Stets informiert und aktuell. Folgen Sie uns auf dem Kurznachrichtendienst.

Kommentare

Blogs

History Reloaded Des Kaisers Rückkehr in den Thurgau

Mamablog Das Klischee vom Zahlvater ist nicht wahr

Weiterbildung

Banken umwerben Frauen

Weltweit steigt das Privatvermögen von Frauen. Banken zeigen, wie dieses gewinnbringend anzulegen ist.

Die Welt in Bildern

Gross-Demo: Mit Schutzmaske und Schwimmbrille schützt sich ein Demonstrant vor einem Tränengas-Angriff der Polizei in Hong Kong am Sonntagabend. (21. Juli 2019)
(Bild: Getty Images / Ivan Abreu) Mehr...