Evolution im Reagenzglas

Klassische Chemiker gehen inzwischen oft leer aus bei den Nobelpreisen. Immer öfter machen ihnen ihre Kollegen aus der Biochemie und Gentechnik den Preis streitig. So auch in diesem Jahr: Der Nobelpreis für Chemie geht zu einer Hälfte an Frances H. Arnold (Caltech, Pasadena, USA) und zur anderen Hälfte an George P. Smith (University of Missouri, Columbia, USA) und Sir Gregory Winter (MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, Großbritannien). Mit der Preisverleihung werden deren Beiträge zur »Revolution der gerichteten Evolution« sowie ihre Leistungen bei der Entwicklung einer grünen chemischen Industrie gewürdigt, wie es in der Begründung der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften in Stockholm heißt.

Den drei Preisträgern sei es gelungen, inspiriert von der Kraft der Evolution, sich deren ureigene Prinzipien zunutze zu machen - nämlich genetische Veränderung und Selektion - und damit Proteine zu entwickeln, die bei den vor der Menschheit liegenden Herausforderungen hilfreich sein können. Das Leben auf der Erde existiere, weil die Evolution mit ihren Mitteln zahlreiche komplexe chemische Probleme lösen konnte.

Die ausgezeichneten Preisträger sind eine kleine Überraschung, sie standen so gut wie bei niemandem auf dem Tippschein. Auch nicht bei Thomson Reuters. Der Medienkonzern betreibt eine Datenbank, die verzeichnet, welche wissenschaftlichen Arbeiten am häufigsten zitiert wurden. Auf der Basis dieser Daten veröffentlicht er alljährlich eine Vorhersage der zu erwartenden Preisträger, liegt aber oft daneben. ChemistryViews.org vom Fachverlag Wiley-VCH hatte zumindest Frances Arnold als Kandidatin auf der Liste. Sie ist eine der Pionierinnen, denen es erstmals gelang, Enzyme gezielt in eine gewünschte Richtung zu entwickeln. Enzyme, das sind Proteine, die chemische Reaktionen katalysieren. Arnold hat entscheidend an der Verfeinerung der Methodik der sogenannten gerichteten Evolution mitgewirkt, mit der die Selektion ins Labor geholt wurde: Zunächst erzeugte sie zufällige Veränderungen - Mutationen - im genetischen Code des Enzyms Subtilisin. Die in Bakterien eingebrachten mutierten Gene brachten nun Tausende verschiedener Subtilisin-Varianten hervor. Die nützlichsten Varianten, also die, die chemische Reaktionen in einem organischen Lösungsmittel im Vergleich zu Wasser besser ablaufen lassen als das originale Enzym, wurden erneut Mutationen unterzogen. Schon drei solcher Zyklen konnten die Wirksamkeit des Enzyms um den Faktor 256 steigern. Die Kombination der zehn verschiedenen Mutationen, die zu diesem Ergebnis führte, war praktisch nicht vorhersagbar.

Mit der Methode lassen sich heute routinemäßig neue Biokatalysatoren entwickeln. Arnolds Enzyme finden breite Anwendung: von der die Natur schonenden Herstellung von Chemikalien und Pharmazeutika bis hin zur Produktion von Brennstoffen für umweltfreundlichere Verkehrsmittel.

Arnold, die ihre wissenschaftliche Karriere als Maschinenbau- und Raumfahrtingenieur begann, ist die fünfte Frau in der Geschichte, der ein Chemie-Nobelpreis zuerkannt wurde.

Die preisgekrönte Arbeit der beiden anderen Laureaten hatte schon ein Jahrzehnt zuvor begonnen. 1985 entwickelte George Smith eine elegante Methode, die als Phagen-Display bekannt wurde. Bakteriophagen sind einfach gebaut: Sie bestehen aus einem kleinen Stück genetischen Materials, das in die Hüllproteine des Kopfteils eingelagert ist. Vermehren können sie sich nur mit Hilfe von Bakterien, denen sie ihr genetisches Material injizieren und so deren Stoffwechsel kapern. Smith konnte zeigen, dass man das Gen für ein Hüllprotein des Bakteriophagen mit einem Gen unbekannter Funktion koppeln kann. Das infizierte Bakterium produziert dann das passende Eiweiß. Dieses landet dann auf der Oberfläche der neuen Phagen und kann dort mit passenden Antikörpern identifiziert werden.

Gregory Winter wiederum verwendete diese Methode später für die Entwicklung von Antikörpern, mit dem Ziel, neue Pharmazeutika zu produzieren. Adalimumab, der erste kommerzielle, therapeutisch wirkende humane monoklonale Antikörper, der auf dieser Methode basiert, wurde 2002 genehmigt und wird bei Gelenkrheumatismus, Schuppenflechte und entzündlichen Darmerkrankungen verschrieben. Seither wurden mit Hilfe von Phagen-Displays eine Reihe von Antikörpern entwickelt, die Giftstoffe neutralisieren, Autoimmunerkrankungen entgegenwirken und in einigen Fällen sogar metastasierenden Krebs heilen können.

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