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Selbstverdauung, exotische Materiezustände und molekulare Aufzüge

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06.10.2016
Die Mechanismen der Autophagie, ungewöhnliche Phasen oder Zustände von Materie sowie Design und Synthese molekularer Maschinen standen im Mittelpunkt der diesjährigen Nobelpreise in den Naturwissenschaften. Ausgezeichnet wurden Forscher aus Japan, Großbritannien, den Niederlanden und Frankreich. Die Auszeichnung ist heuer mit acht Millionen schwedischen Kronen (830.000 Euro) dotiert. Verliehen wird der Preis am 10. Dezember, dem Todestag des 1896 gestorbenen Preisstifters.
 
MEDIZIN: Mechanismus der Autophagie aufgeklärt
Der Medizin-Nobelpreis 2016 geht an den 71-jährigen Zellforscher Yoshinori Ohsumi, gab das Karolinska Institut in Stockholm bekannt. Der Wissenschafter vom Tokyo Institute of Technology hat den Mechanismus der Autophagie ("Selbstverdauung") in Zellen entdeckt und ihn aufgeklärt, hieß es in der Begründung. Obwohl es sich mittlerweile um ein großes Forschungsfeld handle, seien immer noch extrem viele Fragen offen, so der Nobelpreisträger in einer ersten Reaktion.

Bereits Mitte der 1950er-Jahre hatten Wissenschafter beobachtet, dass bestimmte Zellkompartments mit dem Abbau von Proteinen beschäftigt sind. Lange blieb ungeklärt, wie das mit großen komplexen Proteinen und mit ganzen Zell-Organen (Organellen) erfolgt. Yoshinori Ohsumi benutzte für seine Arbeiten Hefezellen. Er entdeckte, wie diese Proteinkomplexe und Organellen von einer Membran umgeben werden und schließlich mit Abbau-Enzym-gefüllten Lyosomen verschmelzen. Dort werden sie schließlich beseitigt.

An zahlreichen Erkrankungen beteiligt
"Yoshinori Ohsumi benutzte die Bäckerhefe, um die Gene für diese Autophagie zu identifizieren. Er ging dann weiter, indem er die der 'Selbstverdauung' zugrunde liegenden Mechanismen in der Hefe aufklärte und zeigte, dass eine ähnliche Maschinerie dafür auch in unseren Zellen benutzt wird", hieß es in der Begründung für die Zuerkennung des Nobelpreises für Physiologie und Medizin. Autophagie-Gene können auch Krankheiten verursachen und sind beteiligt an manchen Krebsleiden und neurologischen Erkrankungen.

"Ich war überrascht. Ich war in meinem Labor", so die erste Reaktion des Forschers gegenüber dem Medienportal des Nobelpreiskomitees. Dass der Preis an eine Einzelperson vergeben wurde, habe ihn noch mehr überrascht, da das Forschungsgebiet mittlerweile sehr groß geworden ist. Die schiere Anzahl der Publikationen sei explodiert. Dass er sich diesem Forschungsfeld vor 27 Jahren zugewandt hat, bezeichnete er als "großes Glück. Hefe war ein sehr gutes System und Autophagie war ein gutes Thema. Aber sogar jetzt haben wir mehr Fragen als zu der Zeit, wo ich begonnen habe", sagte Ohsumi. Er habe immer damit gerechnet, dass diese fundamentalen Abläufe in Hefezellen denen in menschlichen Zellen ähneln. Die Auszeichnung werde er persönlich im Dezember in Stockholm entgegen nehmen, so der frischgebackene Nobelpreisträger weiter.
"Recycling-Fabriken" statt "Mülldeponie"

Ohsumi habe gezeigt, dass jene Bereiche in den Zellen, in denen die Autophagie stattfindet, keine "Mülldeponie" sind, erklärte Juleen Zierath vom Karolinska Institut in einem Interview. Es handle sich vielmehr um "Recycling-Fabriken", die es dem Körper ermöglichen, die Proteine täglich in dem Ausmaß zu erneuern, wie das notwendig ist. Zierath: "Wir brauchen diesen Prozess in Zeiten des Hungers, bei der Embyonalentwicklung oder bei der Zellteilung". Funktioniert die Autophagie schlecht, stehe das im Zusammenhang mit Parkinson, Alzheimer oder vielleicht auch Diabetes. Zu viel Autophagie wird mit der Entstehung und dem Überleben von Krebszellen in Verbindung gebracht, erklärte die Forscherin.

"Yoshinori Ohsumi weiß alles. Er kennt alle Geschichten. Er ist zentrale Figur dieses Forschungsgebietes", sagte Fumiyo Ikeda vom Wiener Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften zu dem neuen Nobelpreis-Laureaten gegenüber der APA. "Das System der Autophagie ist fundamental für das Funktionieren der Zellen. Es geht darum, wie die Zelle Mist los wird", schilderte die Wissenschafterin die Bedeutung der Aufklärung der Mechanismen der "Selbstverdauung" von Proteinkomplexen Organellen. Die Regulation dieser Prozesse sei von enormer Bedeutung. Aufbauend auf die Arbeiten von Ohsumi seien mittlerweile auch viele seiner Mitarbeiter und Schüler auf dem Fachgebiet bekannt geworden.

Komplexe Prozesse im Zell-Inneren
Michael Jantsch, Zell- und Entwicklungsbiologe an der MedUni Wien, schilderte den Ablauf der Prozesse, welche der japanische Wissenschafter in jahrelanger Arbeit geklärt hat, so: "In den Zellen müssen viele Proteine und Organellen, die im Laufe von Alterungsprozessen zum Beispiel durch Oxidation geschädigt worden sind, abgebaut werden. Sie werden deshalb dafür markiert und bei der Autophagie mit einer Membran umgeben." In diesen Bläschen wird der "Abfall" zu den Lysosomen - Bläschen mit Abbauenzymen - transportiert. Die Membran verschmilzt mit dem Lysosom und die Fracht ist damit bei der Müllentsorgung angekommen.

Auch Claudine Kraft von den Max Perutz Laboratories (MFPL) in Wien unterstrich die Bedeutung der Forschungsergebnisse des Japaners: "Man wusste schon lange, dass es einen solchen Mechanismus gibt. Ohsumi hat das erste daran beteiligte Gen entdeckt, das er ATG1 nannte. Er entdeckte danach 14 weitere Gene, die an Autophagie beteiligt sind." Neben der Beseitigung von Abfall in den Zellen sei die "Selbstverdauung" aber auch für mehrere andere Prozesse wichtig. "So können damit in die Zelle eingedrungene Pathogene, zum Beispiel Bakterien, erkannt und beseitigt werden. Darüber hinaus erlaubt die Autophagie ein Recycling in der Zelle. Wenn eine Zelle keine Nährstoffe erhält, beginnt sie mit Autophagie, um daraus wieder Bausteine zu erhalten."

PHYSIK: Erforschung exotischer Materiezustände
Der Nobelpreis für Physik 2016 geht an drei in Großbritannien geborene, in den USA tätige Forscher. Eine Hälfte des Preises erhält David J. Thouless, die andere Hälfte teilen sich Duncan M. Haldane und Michael Kosterlitz. Sie werden für die Erforschung exotischer Materiezustände ausgezeichnet. Die diesjährigen Nobelpreisträger hätten "die Tür in eine bisher verborgene Welt geöffnet, wo Materie seltsame Zustände einnehmen kann", heißt es seitens des Nobelpreiskomitees. Die theoretischen Physiker hätten mit fortschrittlichen mathematischen Methoden ungewöhnliche Phasen oder Zustände von Materie, wie Supraleiter, Superflüssigkeiten oder dünne magnetische Filme untersucht.

"Dank ihrer Arbeit ist die Jagd auf neue und exotische Materiezustände eröffnet", schreibt das Komitee, das auch Hoffnung für künftige Anwendungen in Materialwissenschaften und Elektronik sieht. Im Mittelpunkt ihrer Arbeit steht ein fundamentales Teilgebiet der Mathematik, die sogenannte Topologie, sie bekommen den Preis für ihre "theoretischen Entdeckungen topologischer Phasenübergänge und topologischer Phasen von Materie", wie die offizielle Begründung lautet.

Supraleitung auch in dünnen Schichten möglich
Mit Hilfe des Werkzeugs der Topologie konnten Michael Kosterlitz und David J. Thouless etwa Anfang der 1970er Jahre zeigen, dass entgegen der bis dahin geltenden Theorie Supraleitung, also der völlig verlustfreie Transport von Strom, auch in dünnen Schichten möglich ist. Solche dünnen, zweidimensionalen Schichten sind für die Wissenschafter besonders interessant, weil dort eine völlig andere Physik als in der üblichen dreidimensionalen Welt vorherrscht.

Das betrifft auch sogenannte Phasenübergängen, also etwa das Schmelzen von Eis in Wasser oder das Kondensieren von Dampf in eine Flüssigkeit. Kosterlitz und Thouless erreichten mit ihrer Arbeit ein völlig neues Verständnis von Phasenübergängen in dünnen Schichten, "die als eine der bedeutendsten Entdeckungen in der Festkörperphysik des 20. Jahrhunderts gilt", so das Nobelkomitee. Das wunderbare daran sei, dass dieser Kosterlitz-Thouless-Übergang (KT-Übergang) universell sei und bei verschiedenen zweidimensionalen Materietypen genutzt werden kann.

Thouless und Duncan M. Haldane legten zudem in den 1980er Jahren neue Theorien vor, die im Widerspruch zu bis dahin geltenden Annahmen standen, welche Materialien Strom leiten, speziell bei sehr niedrigen Temperaturen und in starken Magnetfeldern. Auch hier spielten topologische Konzepte eine entscheidende Rolle.

Quanten-Hall-Effekt theoretisch beschreibbar
Mit Hilfe der Topologie konnte Thouless etwa den Quanten-Hall-Effekt theoretisch beschreiben: Der deutsche Physiker Klaus von Kitzling bemerkte, dass in Halbleiter bei sehr tiefen Temperaturen und in starken Magnetfeldern die elektrische Spannung nicht gleichmäßig, sondern sprunghaft wächst - er erhielt dafür 1985 den Physik-Nobelpreis.

Heute werde über topologische Isolatoren, topologische Supraleiter oder topologische Metalle gesprochen, es seien dies Beispiele für Gebiete an vorderster Front der Festkörperphysik in den vergangenen Jahren, betont man seitens des Nobelkomitees.

CHEMIE: Molekulare Aufzüge, Muskeln und Motoren
Der Nobelpreis für Chemie 2016 geht zu gleichen Teilen an den Franzosen Jean-Pierre Sauvage, den in den USA tätigen Briten Sir J. Fraser Stoddart und den Niederländer Bernard L. Feringa. Sie werden "für Design und Synthese molekularer Maschinen" ausgezeichnet. Die drei seien mit dem Bau der weltweit kleinsten Maschinen "in eine neue Dimension der Chemie vorgedrungen", hieß es seitens des Nobelpreiskomitees. "Sie haben Moleküle entwickelt, deren Bewegungen man kontrollieren kann und die eine Aufgabe erfüllen, wenn sie Energie erhalten."

Den ersten Schritt in Richtung molekularer Maschinen hat nach Angaben der Nobel-Juroren Sauvage gemacht. Dem 1944 in Paris geborenen Chemiker, Emeritus an der Universität Straßburg, gelang es 1983 zwei ringförmige Moleküle wie Kettenglieder aneinanderzufügen, die Chemiker nennen solche kettenförmigen Verbindungen "Catenane". Das besondere daran war, dass die Moleküle nicht durch starre kovalente, sondern viel freiere Bindungen verbunden sind. Zwei miteinander verbundene Teile, die sich relativ zueinander bewegen können, sind eine Voraussetzung für eine molekulare Maschine.

1994 gelang es Sauvage, zwei ringförmige Moleküle so zu verbinden, dass bei Erwärmung einer der beiden Ringe in kontrollierter Weise eine Umdrehung um den anderen Ring macht. Für das Nobel-Komitee war dies "der erste Embryo einer nicht-biologischen molekularen Maschine".

"Rotaxane"
Den zweiten Schritt habe dann Fraser Stoddart gesetzt. Der 1942 in Edinburgh (Großbritannien) geborene Chemiker von der Northwestern University in Evanston (US-Bundesstaat Illinois) hat 1991 Moleküle entwickelt und miteinander verbunden, sodass sie an eine Achse mit Rad erinnern - die Chemiker nennen solche Stoffe "Rotaxane". Er verband dafür ein ringförmiges mit einem langgestreckten Molekül und zeigte, dass sich der Ring entlang der Achse bewegen konnte. Stoddarts Forschungsgruppe hat mittlerweile mit verschiedenen Rotaxanen einen molekularen Lift, molekulare Muskeln und einen Molekül-basierten Computerchip entwickelt.

Schließlich gelang Feringa als erstem die Entwicklung eines molekularen Motors. Der 1951 in Barger-Compascuum (Niederlande) geborene Chemiker von der Universität Groningen schuf 1999 ein molekulares Rotorblatt, das sich kontinuierlich in die gleiche Richtung dreht. Mit Hilfe solcher molekularer Motoren konnte er bereits einen Glaszylinder rotieren lassen, der 10.000 Mal größer als der Motor ist, und ein Nano-Auto bauen.

2011 berichtete Feringa von dem nur rund einen milliardstel Meter (Nanometer) langen, elektrisch über die Spitze eines Rastertunnelmikroskops angetriebenen Nano-Auto mit Vierradantrieb. Dazu montierte er vier molekulare Motoren an einen zentralen Träger, die Motoren übernehmen die Rolle der Antriebsräder. Das Nobelkomitee vergleicht den Stand der Entwicklung der molekularen Motoren mit jenem des Elektromotors in den 1830er Jahren. In Zukunft würden solche molekularen Maschinen bei der Entwicklung neuer Materialien, Sensoren und Energiespeichersystemen eine Rolle spielen.
 

Bild: APA (AFP/JIJI PRESS)

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