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Die Auszeichnung wird am 10. Dezember in Stockholm verliehen © APA (dpa)
Die Auszeichnung wird am 10. Dezember in Stockholm verliehen © APA (dpa)

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Nobelpreise: Zellbiologie, Kosmologie und Batterien

10.10.2019

Diese Meldung ist Teil einer wöchentlichen Zusammenfassung für den APA-Science-Newsletter Nr. 36/2019 und nicht zwingend tagesaktuell

Von der Entdeckung der Sauerstoffsensor-Mechanismen in Zellen, Entdeckungen in der Kosmologie, Nachweis des ersten Exoplaneten bis zur Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien: In diesem Jahr werden neun - ausschließlich männliche - Wissenschafter in den Kategorien Medizin, Physik und Chemie für ihre bahnbrechenden Entdeckungen mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Die Wissenschafter, darunter drei US-Amerikaner, zwei Briten, ein Kanadier, zwei Schweizer und ein Japaner erhalten die Preise am 10. Dezember, dem Todestag des Stifters Alfred Nobel. Die Auszeichnungen sind heuer jeweils mit neun Millionen Schwedischen Kronen (rund 830.000 Euro) dotiert.

MEDIZIN: Zellbiologie-Studien

Zwei US-Forscher und ein britischer Wissenschafter erhalten den Nobelpreis 2019 für Physiologie oder Medizin. Die Auszeichnung erfolgt für die Entdeckung der Sauerstoffsensor-Mechanismen in Zellen und deren Adaption an das jeweils aktuelle Sauerstoffangebot.

Das Nobelpreiskomitee würdigte William G. Kaelin Jr (USA), Sir Peter J. Ratcliffe (Großbritannien) und Gregg L. Semenza (USA) in der Begründung für ihre "bahnbrechenden Entdeckungen" über die Mechanismen für entscheidende adaptive Prozesse des Lebens: "Sie identifizierten die molekulare Maschinerie, welche die Aktivität von Genen in Reaktion auf sich verändernde Sauerstoffkonzentrationen reguliert." Die Entdeckung von Sensor-Mechanismen für das aktuelle Sauerstoffangebot hätte zu einem Verständnis fundamentaler physiologischer Prozesse geführt. Sie erlaubten die Anpassung von Zellen an niedrige Sauerstoffwerte.

Nobelpreise "allerhöchst verdient"

"Wahnsinn! Diese Nobelpreise sind allerhöchst verdient! Kaelin ist der 'Übervater' meines Feldes. Er ist ein kluger, bescheidener und sehr mechanistisch orientierter Forscher. Kaelin ist auch ein großer Mahner." - So reagierte Johannes Zuber, Gruppenleiter am Institut für Molekulare Pathologie (IMP) in Wien, auf die Bekanntgabe der diesjährigen Nobelpreisträger für Physiologie oder Medizin. Dem US-Wissenschafter gehe es um Zurückhaltung in der Wissenschaft, was die Interpretation von Forschungsergebnissen betreffe und um die Reproduzierbarkeit wissenschaftlicher Arbeiten."

Kaelin wurde in New York geboren, er arbeitet am Howard Hughes Medical Institute, war bereits im Jahr 2002 Professor an der Harvard Medical School geworden. Ratcliffe stammt aus Lancashire in Großbritannien und ist Direktor für Klinische Forschung am Francis Crick Institut in London, hat aber auch eine leitende Position an der Universität in Oxford inne. Semenza stammt aus New York. Er ist seit 2003 Direktor des Gefäßforschungsprogramms am Johns Hopkins Institut für Zellbiologie in Baltimore.

Ausgehend von bereits seit langem bestehenden Erkenntnissen über die Funktion des Blutbildungshormons Erythropoietin (EPO) entdeckten Ratcliffe und Semenza die Funktion des Proteinkomplexes HIF, der aus zwei Transkriptionsfaktoren besteht (HIF-1alpha und ARNT). Bei hoher Sauerstoffkonzentration weisen Zellen eine geringe Konzentration an HIF-1alpha auf, bei Sauerstoffmangel hingegen steigt die Konzentration an, was zum Hinaufregulieren der für EPO kodierenden Gene führt. Bei normaler Sauerstoffkonzentration in Zellen wird HIF-1alpha abgebaut. Wie das funktioniert blieb zunächst unbekannt.

Ursprünge der VHL-Krankheit untersucht

Dafür sorgte William Kaelin, der sich mit Krebs beschäftigte. Er untersuchte die Ursprünge der vererbbaren Hippel-Landau-Erkrankung (VHL-Krankheit). Sie führt in betroffenen Familien zu einem massiv gesteigerten Risiko für manche Krebserkrankungen. Die Ursache sind Mutationen im VHL-Gen. Ratcliffe und seine Forschungsgruppe entdeckten schließlich, dass VHL mit HIF-1alpha interagieren kann und für dessen Abbau unter normalen Sauerstoffkonzentrationen verantwortlich ist. 2001 konnten Ratcliffe und Kaelin schließlich in zwei parallel erschienen Studien zeigen, dass zwei sauerstoffabhängige Enzyme (Prolyl Hydroxylasen) den eigentlichen Sensor für die Sauerstoffkonzentration in Zellen und somit den maßgeblichen Faktor für den Abbau von HIF-1alpha darstellen.

Kaelin ist mit seinen Forschungen auch der Begründer des Prinzips der "Synthetischen Letalität". Der Begriff beschreibt einen Zusammenhang zwischen zwei Genen, bei denen der Verlust eines von ihnen keine signifikante Auswirkung auf die Vitalität von Zellen hat. Aber der Verlust beider Gene führt zum Absterben (durch programmierten Zelltod; Anm.). Dieses Konzept formulierte Kaelin am Beispiel von Nierenzellkrebs: Dabei geht häufig das VHL-Gen verloren. Damit werden die Krebszellen aber vom Funktionieren des Sauerstoffmangel-Faktors HIF in ihrem Überleben abhängig. Kann man diesen hemmen, könnte das ein entscheidendes Therapieprinzip darstellen. "HIF-Inhibitoren werden gerade getestet", erklärte der Wiener Wissenschafter.

PHYSIK: Kosmologie-Schlüsselfigur und Planetenjäger

Eine "Schlüsselfigur" der Kosmologie und zwei Planetenjäger bekommen den Physik-Nobelpreis 2019: Eine Hälfte geht an den Kanadier James Peebles für Entdeckungen in der Kosmologie, die andere Hälfte an die beiden Schweizer Michel Mayor und Didier Queloz für den Nachweis des ersten Exoplaneten, gab die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm bekannt.

Das Nobelpreis-Komitee würdigte die Beiträge der Preisträger, die "unsere Vorstellungen vom Kosmos für immer verändert haben". Die theoretischen Entdeckungen des 84-jährigen James Peebles von der Princeton University hätten zu unserem "Verständnis beigetragen, wie sich das Universum seit dem Urknall entwickelt hat". Michel Mayor (77) von der Universität Genf und Didier Queloz (53), der ebenfalls an der Uni Genf und an der Universität Cambridge arbeitet, hätten "auf der Jagd nach unbekannten Planeten unsere kosmische Nachbarschaft erforscht".

Erste Entdeckung eines Exoplaneten 1995 bekanntgegeben

Mayor und Queloz gaben im Oktober 1995 die erste Entdeckung eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems (Exoplanet) bekannt. Der Gasplanet, vergleichbar mit dem Jupiter, umkreist den Stern "51 Pegasi" und erhielt den Namen "51 Pegasi b". Diese Entdeckung habe "eine Revolution in der Astronomie ausgelöst und über 4.000 Exoplaneten wurden seither in der Milchstraße gefunden", heißt es seitens des Nobelpreis-Komitees.

"Diese Entdeckung ist die aufregendste unserer gesamten Karriere, und einen Nobelpreis zu erhalten, ist einfach außergewöhnlich", wurden die Mayor und Queloz in einer Aussendung der Universität Genf zitiert. Für Luca Fossati vom Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) ist es angesichts des Aufsehens, das die erste Entdeckung eines Exoplaneten auf sich zog, erstaunlich, dass es über 20 Jahre gedauert hat, bis das entsprechend gewürdigt wird. 1995 habe wirklich einen wissenschaftlichen Anfang markiert.

Übergang der Kosmologie von der Spekulation zur Wissenschaft

Peebles war mit seinen theoretischen Werkzeugen und Berechnungen in der Lage, Spuren über den Anfang des Universums zu interpretieren und neue physikalische Prozesse zu entdecken. Für Matthias Steinmetz vom Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam "steckt James Peebles praktisch hinter allen Ideen zum Aufbau des Universums auf großen Skalen". Das Nobelpreis-Komitte bezeichnete Peebles als "Schlüsselfigur" beim Übergang der Kosmologie von der Spekulation zur Wissenschaft in den 1960er Jahren.

Peebles erkannte etwa, dass die Temperatur der Kosmischen Hintergrundstrahlung, ein Beleg für die Urknall-Theorie, Auskunft darüber geben kann, wie viel Materie beim Urknall gebildet wurde. Der Physiker schlug 1982 auch schwere, langsame Teilchen als Kandidaten für die Dunkle Materie vor, die nicht mit der bekannten Materie interagieren und rund 26 Prozent des Universums ausmachen. Entdeckt wurden diese Teilchen bisher noch nicht.

"Ich habe das nicht alleine geschafft", sagte Peebles nach der Bekanntgabe am Telefon. Neben den Erkenntnissen, für die er nun geehrte werde, dürfe man nicht vergessen, dass er auch "viele falsche Ideen publiziert" habe, sagte Peebles. Daniel Grumiller vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien bezeichnete Peebles als "einen der wichtigsten lebenden theoretischen Kosmologen". Die Zuerkennung sei aber "ein wenig überraschend", weil er viele seiner einflussreichen Arbeiten mit Kollegen verfasst habe.

CHEMIE: Lithium-Ionen-Batterien

Der diesjährige Chemie-Nobelpreis steckt in nahezu jeder Hosen- und Handtasche: Für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie erhalten der US-Forscher John Goodenough, der Brite Stanley Whittingham und der Japaner Akira Yoshino den Preis.

Durch ihre Arbeit hätten die Preisträger eine "wiederaufladbare Welt geschaffen", begründete das Nobelpreis-Komitee seine Entscheidung. Die leistungsstarken Lithium-Ionen-Akkus würden überall verwendet, in Handys, Laptops und Elektrofahrzeugen. Zudem könnten sie signifikante Energiemengen aus Sonnen- und Windkraftanlagen speichern und damit eine Gesellschaft ohne fossile Brennstoffe ermöglichen.

Der Grundstein für Lithium-Ionen-Akkus wurde in den 1970er Jahren während der Ölkrise gelegt. Stanley Whittingham (77) von der Binghamton University im US-Bundesstaat New York begann zu dieser Zeit beim Mineralölkonzern Exxon an Supraleitern zu forschen - und entdeckte dabei mit Titandisulfid ein extrem energiereiches Material, das er als Kathode nutzte. Als Anode diente metallisches Lithium. Das ergab die erste funktionierende Lithium-Batterie. Das Problem war allerdings das sehr reaktive Lithium - die Batterie war höchst explosionsgefährdet.

Whittingham löste mit der Zugabe von Aluminium dieses Problem und 1976 gab es die erste kleine Produktion von Lithium-Ionen-Batterien. Doch nachdem der Ölpreis in den frühen 1980er Jahren wieder gefallen war und Exxon sparen musste, wurde die Technologie lizensiert.

"Durchbruch" zu leistungsfähigerer Batterie

John B. Goodenough von der University of Texas in Austin, mit 97 Jahren der älteste Wissenschafter, der bisher den Nobelpreis erhalten hat, sagte zu dieser Zeit vorher, dass die Kathode noch größeres Potenzial hätte, wenn sie aus einem Metalloxid statt eines Metallsulfids bestehen würde. Nach einer systematischen Suche zeigte er 1980, dass mit einer Kathode aus Kobaltoxid die bisherige Leistung auf vier Volt verdoppelt werden kann. Das Nobelpreis-Komitee bezeichnete das als "wichtigen Durchbruch, der zu deutlich leistungsfähigeren Batterien führte". Goodenough wusste zunächst nichts von seiner Auszeichnung. Man habe den US-Wissenschafter im Gegensatz zu den anderen beiden Preisträgern Mittwoch Früh nicht erreichen können, hieß es bei der Bekanntgabe.

Auf Basis der Kathode von Goodenough entwickelte Akira Yoshino (71) beim japanischen Chemiekonzern Asahi Kasei 1985 die erste kommerziell erhältliche Lithium-Ionen-Batterie. Statt reaktives Lithium in der Anode verwendete er ein Kohlenstoffmaterial (Ölkoks). Das Ergebnis sei ein strapazierfähiger Akku gewesen, der sich durch sein geringes Gewicht auszeichnet und Hunderte Male aufgeladen werden kann, bevor sich seine Leistung verschlechtert. Yoshino, mittlerweile Professor an der Meijo University in Nagoya freute sich über die Auszeichnung und sieht in seinem Beitrag zur Entwicklung eine Lösung für die Umweltprobleme unserer Zeit. Er hoffe, dass der Preis an ihn "den jungen Forschern Mut macht", sagte Yoshino im japanischen Fernsehen. Als Forscher brauche man "Flexibilität und Durchsetzungsvermögen".

Auszeichnung war "lange verdient"

Der Vorteil von Lithium-Ionen-Akkus besteht laut Nobelpreis-Komitee darin, dass bei der Verwendung und beim Laden nur Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode hin und her fließen, ohne Wechselwirkung mit ihrer Umgebung. Das verleiht den Batterien ihr langes Leben. 1991 brachte dann Sony die ersten Lithium-Ionen-Batterien auf den Markt.

Als "lange verdient" bezeichnete der Chemiker Nuno Maulide von der Universität Wien die Zuerkennung des Preises an die drei Forscher. Man habe sich in Fachkreisen bereits gefragt, "wann diese Entdeckung einmal anerkannt wird". "Begeistert" zeigte sich Markus Valtiner von der Technischen Universität (TU) Wien über die Vergabe, die Technologie liege auch im Hinblick auf den Klimawandel am Puls der Zeit, sagte er zur APA. Die breitere Anwendung in Elektro-Kraftfahrzeugen oder als leistungsfähige Energiespeicher seien "genau die Dinge, die wir jetzt brauchen".

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