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Nachweis der Gravitationswellen galt von vorneherein als nobelpreiswürdig © APA (dpa)
Nachweis der Gravitationswellen galt von vorneherein als nobelpreiswürdig © APA (dpa)

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Nobelpreise wieder fest in US-Hand

05.10.2017

Diese Meldung ist Teil einer wöchentlichen Zusammenfassung für den APA-Science-Newsletter Nr. 35/2017 und nicht zwingend tagesaktuell

Von der Aufklärung der biologischen Uhr über den Nachweis von Gravitationswellen bis zur Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie: Die Nobelpreise in Medizin, Physik und Chemie gingen dieses Jahr an insgesamt neun Forscher, davon sieben aus den USA. Die Auszeichnung ist in diesem Jahr mit neun Millionen Schwedischen Kronen (940.000 Euro) dotiert und wird am 10. Dezember in Stockholm verliehen.

Der Medizin-Nobelpreis 2017 wird an drei US-Forscher verliehen - Jeffrey C. Hall (geb. 1945), Michael Rosbash (geb. 1944) und Michael W. Young (geb. 1949.) - für die Aufklärung der Mechanismen der biologischen Uhr von Lebewesen. Dies wurde vom Karolinska Institut in Stockholm bekannt gegeben.

"Das Leben auf der Erde ist an die Rotation unseres Planeten adaptiert. Viele Jahre lang haben wir gewusst, dass lebende Organismen, auch der Mensch, eine interne biologische Uhr besitzen, die ihnen hilft, den Tag-Nacht-Rhythmus vorherzusehen und sich daran anzupassen. (...) Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young konnten in diese biologische Uhr hineinschauen und ihr inneres Funktionieren aufklären", schrieb das Nobelpreiskomitee.

Die Wissenschafter (Hall arbeitet an der Universität von Maine, Rosbash an der Brandeis University in Waltham/USA, Young forscht an der Rockefeller University in New York) benutzten die Drosophila-Fliegen und isolierten zunächst ein Gen, das ihren zirkadianen Rhythmus kontrolliert. Es handelt sich dabei um das "Period"-Gen, das für das Protein PER kodiert. In der Nacht sammelt sich das PER-Eiweiß in Zellen an, am Tag wird es abgebaut. "In der Folge identifizierten sie zusätzliche Proteine als Bestandteile dieser Maschinerie und klärten damit die Mechanismen auf, welche das sich selbst erhaltende Uhrwerk in Zellen bestimmen", hieß es in der Begründung für die Zuerkennung der Auszeichnung weiter.

Von Verdauung bis "Jet-Lag"

Zirkadiane Rhythmen dominieren viele Funktionen der Physiologie von Organismen: Verhalten, Hormonproduktion, Schlaf, Körpertemperatur und Stoffwechsel. Das reicht von der Verdauung über Aufmerksamkeit bis hin zum klassischen "Jet-Lag", bei dem sich die innere Uhr des Menschen nicht schnell genug an andere Zeitzonen anpassen kann. Hall und Rosbash hatten gezeigt, dass sich das PER-Protein im Zellkern während der Nacht ansammelt. 1994 kam schließlich Young zu seiner Entdeckung des zweiten - Uhrwerk-Gens - "timeless". Das dadurch kodierte Protein TIM erlaubt durch Bindung PER den Zutritt zum Zellkern. Schließlich entdeckte Young auch noch das "doubletime"-Gen. Es ist für die Produktion des DBT-Eiweißes verantwortlich und verzögert die Akkumulierung von PER im Zellkern. Dadurch wird der Rhythmus genauer an den 24-Stunden-Zyklus angepasst.

Als "lange überfällig" bezeichneten die Neurobiologin Kristin Tessmar-Raible von den Max F. Perutz Laboratories (MFLP) der Uni Wien und MedUni Wien sowie Gerhard Klösch (Universitätsklinik für Neurologie/MedUni Wien/AKH) die Nobelpreiszuerkennung an die drei US-Forscher. Klösch gab als Schlafmediziner seiner Hoffnung Ausdruck, dass in Zukunft Medizin und molekulare Chronobiologie näher zusammenrückten.

Zwei der drei Preisträger konnten zunächst vom Nobelpreiskomitee erreicht werden: Hall und Rosbash. Rosbash war total überrascht. Seine erste Reaktion: "Sie nehmen mich auf den Arm. Ich war atemlos - im wahrsten Sinne des Wortes. Meine Frau sagte 'Bitte atme!' Ich habe keine Luft mehr bekommen."

PHYSIK: Gravitationswellen

Der diesjährige Physik-Nobelpreis geht zur Hälfte an Rainer Weiss und zur anderen Hälfte an Barry Barish und Kip Thorne. Die drei US-Forscher gelten als Väter des LIGO-Observatoriums, wo es 2016 gelang, die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen erstmals direkt nachzuweisen.

Es war gewissermaßen eine Zuerkennung mit Ansage: Bereits die Nachricht vom erstmaligen direkten Nachweis der Gravitationswellen erfuhr bei der Bekanntgabe im Februar 2016 weltweit große Aufmerksamkeit und galt von vorneherein als nobelpreiswürdig.

Die Wellen entstehen bei der Beschleunigung unvorstellbar großer Massen, etwa beim Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher. Dadurch wird der Raum verzerrt, die Störung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit im Universum aus.

In Relativitätstheorie beschrieben

Sensationell ist der Nachweis vor allem deshalb, weil die Gravitationswellen, die Einstein im Jahr 1916 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben hat, die Raumzeit nur in äußerst geringem Ausmaß verschieben. Am LIGO-Observatorium, das aus zwei nahezu identischen Detektoren in Hanford (US-Bundesstaat Washington) und 3.000 Kilometer davon entfernt in Livingston (US-Bundesstaat Louisiana) besteht, wurde die erste Welle am 14. September 2015 registriert. Als geistige Väter der aufwendigen Anlage gelten Weiss und Thorne, während Barry Barish der Jury zufolge jener Forscher ist, der das Projekt vollendete.

Wie schwierig das Unterfangen war, zeigt sich daran, dass selbst Einstein nicht an die Möglichkeit der direkten Beobachtung glaubte. Auch der in Berlin geborene Rainer Weiss vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) war nach dem Eingehen des Signals skeptisch, wie er in einem Interview im Rahmen der Pressekonferenz der Akademie verriet. "Wir brauchten zwei Monate, bis wir wirklich überzeugt waren", sagte der 85-Jährige in einem Telefonat. Inzwischen sei allerdings jeder Zweifel gewichen.

Die nachgewiesene Existenz von Gravitationswellen liefert nun direkte Beweise für die Störung der Raumzeit selbst. "Das ist etwas völlig Neues, was uns den Blick auf eine bisher ungesehene Welt eröffnet. Eine Fülle an neuen Entdeckungen erwartet jene, die es geschafft haben, die Wellen aufzuzeichnen und nun ihre Botschaft entschlüsseln", so das Komitee in der Begründung.

Tür in "neue Wissenschaft"

Diese Einschätzung teilt auch Weiss, der die Tür in eine "neue Wissenschaft" aufgehen sieht - die Gravitationswellen-Astronomie. Nobelpreis-Juror Mats Larsson verwies etwa auf aktuelle Gerüchte, wonach die Verschmelzung zweier Neutronensterne beobachtet worden sei.

Weiss (Jahrgang 1932) arbeitete bereits seit den 1970er Jahren an der Analyse möglicher Quellen von kosmischen Hintergrundgeräuschen, die die Messungen der Gravitationswellen, stören können. Er hat auch das Detektor-Konzept mit der sogenannten Laserinterferometrie entwickelt. Weiss und Thorne (Jahrgang 1940), der wie Barish (Jahrgang 1936) am California Institute of Technology (Caltech) tätig ist, waren rasch überzeugt, dass damit der Nachweis gelingen könnte. Ursprünglich war neben Thorne und Weiss auch der Brite Ronald Drever ein heißer Kandidat für den Gravitationswellen-Nobelpreis, er verstarb jedoch im März 2017, sodass Barish nachrückte.

Die Entdeckung ist aber alles andere als eine einsame Errungenschaft dieser Wissenschafter: Als "Verdienst einer großen Community" bezeichnete sie der österreichische Physiker Sascha Husa. Insgesamt sind nämlich mehr als 1.000 Forscher Teil der "LIGO Scientific Collaboration" - darunter neben Husa auch weitere Österreicher. "Auch wenn man den Nobelpreis aufgrund des Regelwerks (das maximal drei Preisträger erlaubt, Anm.) nicht persönlich bekommt, ist das ein Grund für große Freude. Es zeigt, dass dieser Durchbruch gewürdigt und für wichtig erkannt wird." Noch sei jede Beobachtung einer Gravitationswelle schwierig. Dass nun mit einem unabhängigen Detektor, dem Experiment Virgo bei Pisa (Italien), ein vierter Nachweis gelungen ist, sei "eine sehr große Bestätigung".

CHEMIE: Kryo-Elektronenmikroskopie

Der Nobelpreis für Chemie geht heuer zu gleichen Teilen an den Schweizer Jacques Dubochet, den in Deutschland geborenen US-Forscher Joachim Frank und den Briten Richard Henderson für ihre Beiträge zur Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie. Die Arbeiten der Forscher von den 1970er bis in die 1990er Jahre hätten die "Biochemie in neue Ära geführt", so die Nobelpreis-Jury in ihrer Begründung.

Tatsächlich war es vor den Durchbrüchen von Dubochet (75), Frank (77) und Henderson (72) kaum möglich, kleinste biologische Strukturen in hoher Auflösung und vollständig darzustellen. Schritt für Schritt beseitigten die Neo-Nobelpreisträger Hindernisse auf dem Weg in Richtung der mittlerweile omnipräsenten Technologie. Mit der Methode können erstmals große "Biomaschinen" in den Zellen dreidimensional und mit großer Genauigkeit dargestellt werden, erklärte der Wiener Strukturbiologe David Haselbach der APA. Davor war man auf die Analyse ihrer Einzelteile beschränkt.

Die drei Preisträger kennen einander gut, sagte Nobelpreis-Juror Peter Somfai. Als sie von ihrer Auszeichnung erfuhren, hätten sie sich gefreut, den Preis miteinander zu teilen. "Sie schienen wie eine fröhliche, nette Familie von Chemikern", so Somfai zur Deutschen Presse-Agentur.

Biochemische Landkarten mit "vielen leeren Stellen"

Vor ihrer Entwicklung prägten "viele leere Stellen die biochemischen Landkarten", so das Komitee. Die Kryo-Elektronenmikroskopie änderte das jedoch grundlegend. Forscher können nun beispielsweise Zellen einfrieren, während sie gerade aktiv sind und sie dann mit Elektronenmikroskopen analysieren. Damit werden heute Dinge beobachtet, die sowohl für das generelle Verständnis der Abläufe in der Chemie des Lebens als auch für die Entwicklung von Medikamenten wichtig sind.

Henderson, der am MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB) in Cambridge (Großbritannien) arbeitet, hat mit seiner Forschung gezeigt, dass Elektronenmikroskopie nicht nur zum Studieren toter Materie geeignet ist. 1990 konnte er erstmals ein dreidimensionales Bild eines Proteins mit extrem hoher Auflösung aufnehmen. Dieser Durchbruch zeigte laut der Jury das Potenzial der Technologie.

Übersetzung von 2D auf 3D

Einen wichtigen Grundstein dafür legte Frank (Columbia University, US-Bundesstaat New York), indem er bereits zwischen 1975 und 1986 eine Methode entwickelte, mit der die unscharfen zweidimensionalen Bilder analysiert und in ein schärferes 3D-Bild übersetzt werden konnten. Nachdem er erfuhr, dass er den Preis erhalten wird, sei er ein wenig perplex gewesen, sagte Frank. "Das sind wundervolle Neuigkeiten", habe er ständig wiederholt, die Chancen auf den Preis erschienen ihm im Vorfeld "winzig", berichtete der 77-Jährige. Es habe ihn jedoch heute nicht gestört, früh aus dem Bett geklingelt zu werden.

Der zentrale Verdienst von Dubochet von der Universität Lausanne war es wiederum, die Mikroskopie-Technologie für Proben, die Wasser enthalten, nutzbar zu machen. Davor verdampfte das für das Leben so wichtige Molekül im Vakuum von Elektronenmikroskopen, was Biomoleküle unverzüglich kollabieren lässt. In den frühen 1980er-Jahren entwickelte der Schweizer den Kunstgriff, Wasser so schnell abzukühlen dass es sich in seiner ursprünglichen Form um die biologische Probe herum verfestigt. Das machte es möglich, Untersuchungsobjekte in ihrer natürlichen Gestalt unter die Hightech-Lupe zu nehmen.

Mittlerweile wird vielerorts in 3D bis tief in die atomare Ebene geblickt. Die Methode sei omnipräsent und einschlägige Veröffentlichungen voll mit solchen Abbildungen. "Jetzt explodiert diese Technologie", sagte Somfai. Jede Universität und viele pharmazeutische Unternehmen wollten sie haben.

Bald werde sie wahrscheinlich zum Standard in der Medikamenten-Forschung und kürzlich wurde damit auch die Oberflächenstruktur des Zika-Virus aufgeklärt. Die Kryo-Elektronenmikroskopie könnte demnach auch die Entwicklung von Medikamenten revolutionieren. "Wir werden neue Medizin auf einem komplett anderen Level entwerfen können", so der Nobelpreis-Juror.

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