Nobelpreis geht an drei Chemiker, die evolutionäre Tricks nutzen

Der Nobelpreis für Chemie geht in diesem Jahr zur Hälfte an Frances Arnold (USA) und zur anderen Hälfte an George Smith (USA) und Gregory Winter (Großbritannien) für ihre Beiträge zur Entwicklung einer grünen chemischen Industrie. Das teilte die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften am Mittwoch in Stockholm mit.

Es sei ihnen gelungen, Kontrolle über die Evolution zu gewinnen und diese Fähigkeit für Zwecke einzusetzen, die der Menschheit größten Nutzen gebracht haben.

Das Leben auf der Erde existiere, weil die Evolution zahlreiche komplexe chemische Probleme durch andauernde genetische Veränderungen gelöst habe, schreibt das Nobelkomitee in seiner Begründung. Die Preisträger hätten sich die Möglichkeiten der Evolution zunutze gemacht und im Labor weiterentwickelt. Als «Star des Enzym-Engineerings» bezeichnet das Nobelkomitee die US-Amerikanerin Frances Arnold, die vor einigen Tagen mit Blick auf einen früheren Chemie-Nobelpreisträger noch twitterte, sie haben «eher zu kleine Füße für diese Schuhe. Seufz.»

I have a rather small foot for these shoes. Sigh. https://t.co/t639IQLEH7

— Frances Arnold (@francesarnold) 24. September 2018

Arnold entwickelte ein Verfahren, das heute als Gerichtete Evolution bezeichnet wird. Darunter versteht man die absichtliche Veränderung von Molekülen wie Eiweißen oder DNA mit dem Ziel, deren Eigenschaften für bestimmte Zwecke zu optimieren. Arnold, die heute am California Institute of Technology in Pasadena arbeitet, konzentriert sich auf die Eigenschaften von Enzymen, also solchen Eiweißen, die in der Natur chemische Reaktionen steuern. Bei dem Verfahren wird der genetische Bauplan eines Enzyms verändert, so dass Varianten mit anderen Eigenschaften entstehen. Varianten, die eine gewünschte chemische Reaktion besonders gut steuern, werden erneut verändert – bis schließlich ein Enzym mit optimalen Eigenschaften entstanden ist.

«Grünere» Produktion möglich

Ihre Forschung ermöglicht es heute, maßgeschneiderte Enzyme mit gewünschten Eigenschaften herzustellen. Diese werden etwa zur Produktion von Arznei- oder Biokraftstoffen genutzt – und zwar häufig umweltfreundlicher als zuvor, wie das Nobelkomitee betont. «Es ist ein grüner Preis, weil man beispielsweise bei der Herstellung von Plastik giftige Zutaten und Schwermetalle durch biologische Moleküle ersetzen kann», sagte Nobeljuror Heiner Linke. Arnold ist die fünfte Frau, die den Chemie-Nobelpreis erhält – nach Marie Curie (1911), deren Tochter Irène Joliot-Curie (1935), Dorothy Crowfoot Hodgkin (1964) und Ada Yonath (2009).

George Smith entwickelte in den 1980er Jahren an der University of Missouri das sogenannte Phagen-Display. 1985 stellte er im Fachblatt «Science» ein Verfahren vor, das Bakteriophagen – Viren, die Bakterien infizieren – bestimmte Proteinsequenzen auf ihrer Oberfläche präsentieren lässt. Je nach Erbgut zeigen die Phagen verschiedene Proteinteile auf ihrer Hülle.

Kampf gegen Tumore und Alzheimer

In den Folgejahren griffen andere Forscher den Ansatz auf. Gregory Winter nutzte in Cambridge das Phagen-Display, um gezielt Antikörper für bestimmte Zwecke zu entwickeln. «Diese Errungenschaft war der Ausgangspunkt einer pharmazeutischen Revolution», schreibt das Nobelkomitee. Winter baute riesige Phagen-Bibliotheken mit verschiedensten Antikörper-Varianten auf, die an unterschiedlichste Strukturen andocken und als medizinische Wirkstoffe genutzt werden können.

Daraus ging etwa der humane Antikörper Adalimumab hervor, der an ein entzündungsförderndes Protein bindet. Er ist seit 2002 in den USA gegen rheumatoide Arthritis zugelassen, wird auch gegen Schuppenflechte und chronisch-entzündliche Darmerkrankungen eingesetzt und erzielt Jahresumsätze im Milliardenbereich. Antikörper werden auch in der Tumortherapie oder etwa zur Behandlung der Alzheimer-Krankheit erforscht.

Die höchste Auszeichnung für Chemiker ist derzeit mit umgerechnet rund 870 000 Euro (9 Millionen Schwedischen Kronen) dotiert. Die feierliche Übergabe der Auszeichnungen findet traditionsgemäß am 10. Dezember statt, dem Todestag des Preisstifters Alfred Nobel. Seit 1901 wurde der Chemie-Nobelpreis an 177 verschiedene Forscher vergeben. Einer von ihnen, der Brite Frederick Sanger, erhielt ihn zweimal.

Am Dienstag wurden Laser-Physiker für die Entwicklung präziser Werkzeuge aus Licht zu Nobelpreisträgern gekürt. Eine Hälfte des Preises geht an Arthur Ashkin (USA). Er ist mit 96 Jahren der älteste Mensch, der je als Nobelpreisträger benannt wurde. Gérard Mourou (Frankreich) und Donna Strickland (Kanada) teilen sich die zweite Hälfte. Strickland ist erst die dritte Frau, die mit einem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wird.

Der Medizin-Nobelpreis ging am Montag an den US-Amerikaner James Allison und den Japaner Tasuku Honjo für die Entwicklung von Immuntherapien gegen Krebs.

PORTRÄT: Frances Arnold: Von einer wilden Jugend zur Nobelpreisträgerin 

Eigentlich wollte sie Diplomatin oder CEO eines multinationalen Unternehmens werden. Doch dann entschied sich die US-Wissenschaftlerin Frances Arnold, erneuerbare Energien zu erforschen, weil ein Chef-Posten zu viel Arbeit bedeutet hätte, sagte sie vor einigen Monaten.

Damit hat die jetzige Inhaberin der Linus Pauling Professur des renommierten California Institute of Technology (Caltech) offenbar die richtige Entscheidung getroffen. Mit der Zuerkennung des Chemie-Nobelpreises kann sie einen weiteren Höhepunkt ihrer Karriere feiern. Dabei hatte die 62-Jährige noch vor gut einer Woche bei Twitter geschrieben, dass ihre Füße ziemlich klein für die Fußstapfen des ebenfalls mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichneten Pauling seien (siehe oben).

1979 absolvierte Arnold ihren Bachelor in Maschinenbau an der Princeton University, bevor sie 1985 ihren Doktortitel als Chemietechnikerin verliehen bekam. Dank ihrer Forschung können Chemikalien umweltfreundlicher hergestellt werden.