Nobelpreis für Chemie 2009: Blick in die Fabrik des Lebens

In diesem Jahr geht der Nobelpreis für Chemie zu gleichen Teilen an den 1952 in Indien geborenen Venkatraman Ramakrishan, der heute in Großbritannien forscht und US-Staatsbürger ist, seinen 1940 geborenen Landsmann Thomas Steitz und die ein Jahr ältere Ada Yonath aus Jerusalem. Sie werden für die Entdeckung ausgezeichnet, wie die Fabriken des Lebens ? die Ribosomen ? aufgebaut sind und funktionieren. In dieser hochkomplexen Maschinerie, die es in jeder lebenden Zelle gibt, wird die auf der DNA gespeicherte Erbinfomation in Proteine übersetzt. Aufgrund ihrer fundamentalen Rolle gelten Ribosomen dabei nicht nur als interessantes Forschungsgebiet, sondern auch als vielversprechende Angriffspunkte für neue Antibiotika und damit als Hoffnungsträger für neue Therapien gegen Infektionskrankheiten, kommentiert das Nobelkomitee. Jeder Preisträger erhält ein Drittel der umgerechnet eine Million Euro, mit der der Preis in diesem Jahr dotiert ist.
Entdeckt wurden die Ribosomen eigentlich über einen Umweg: Während der 1950er Jahre beobachteten Wissenschaftler, dass die Zelle einen Verwandten der Erbsubstanz enthält, die sogenannte RNA. Sie unterscheidet sich von ihrem bekannteren Cousin durch einen Baustein ? statt der Base Thymin enthält sie Uracil ? und kommt in der Zelle hauptsächlich in kleinen Partikeln innerhalb des Zytoplasmas vor. Genau dort, stellte sich wenig später heraus, werden auch die Proteine gebildet, die sozusagen die Arbeiter der Zelle sind und viele verschiedene Funktionen erfüllen, von einfachen Baumaterial über Transportfunktionen bis hin zur Übermittlung von Botschaften und der Katalyse von Reaktionen. 1958 schließlich bekamen die proteinproduzierenden Partikelchen aus Eiweißen und RNA ihren Namen: Ribosom.

Wie Ribosom und DNA allerdings zusammenarbeiten können, um die in der Basenabfolge des Erbmaterials gespeicherten Informationen in eine Aminosäurekette umzusetzen, bliebt rätselhaft ? schließlich befindet sich die DNA im Kern der Zelle und die Ribosomen außerhalb im Zytoplasma. Die Antwort wurde zu Beginn der 1960er Jahre gefunden: Eine Abschrift aus RNA, mRNA genannt, fungiert als Bote, sie wandert aus dem Kern heraus und wird von den Ribosomen eingefangen. Eine Entdeckung mit weitreichenden Folgen: Mit Hilfe dieses Wissens, einer künstlichen mRNA und aus einer Zelle isolierten Ribosomen konnte der Prozess im Reagenzglas nachgeahmt und so der genetische Code und die grundsätzliche Funktion des Ribosoms entschlüsselt werden.

Das Ribosom, stellte sich dabei heraus, liest die Bausteine der mRNA in Dreiergruppen, von denen jede für eine Aminosäure steht. Dazu nutzt es die Dienste eines weiteren kleinen RNA-Moleküls, der sogeannten Transfer- oder tRNA: Diese besitzt auf der einen Seite das Gegenstück zu jeweils einer bestimmten Dreiergruppe und auf der anderen Seite die entsprechende Aminosäure. Doch trotz dieser Entdeckungen blieb das Bild des Ribosoms eher schemenhaft. James Watson, einer der beiden Nobelpreisträger, die die Struktur der DNA entschlüsselten, formulierte es 1964 so: "Unglücklicherweise können wir auf der chemischen Ebene nicht genau beschreiben, wie ein Molekül funktioniert, solange wir seine Struktur nicht kennen". Im Fall des Ribosoms sollte es noch bis zum Jahr 2000 dauern, bis die Aufklärung der Struktur endlich gelang.

Die ersten Schritte in diese Richtung machte Ada Yonath Ende der 70er Jahre: Sie versuchte, Ribosom-Kristalle herzustellen, die schließlich mit Hilfe von Röntgenstrahlen untersucht werden sollten. Das Problem: Ein Ribosom ist ein immens komplexes Gebilde aus einer großen und einer kleinen Untereinheit. Die kleine Einheit besteht bereits aus einem großen RNA-Molekül und 32 Proteinen, die große enthält weitere drei RNA-Moleküle und 46 Proteine. Insgesamt handelt es sich also um tausende von Nukleotiden und tausende von Aminosäuren, die wiederum jeweils aus Hunderttausenden von Atomen bestehen. Für eine Röntgenstrukturanalyse, bei denen die Position jedes einzelnen dieser Atome bestimmt werden soll, werden jedoch extrem reine, perfekte Kristalle benötigt ? und diese anzufertigen, erforderte verschiedene Tricks, die Zusammenarbeit der drei Preisträger und viele Jahre Arbeit.

Und selbst, als die Kristalle tatsächlich eine ausreichende Qualität hatten, mussten die Wissenschaftler, insbesondere Thomas Steitz, noch verschiedene Umwege machen, um die Informationen aus dem Röntgenmuster herauslesen zu können, die sie haben wollten. Schließlich, im Jahr 2000, veröffentlichten Steitz und das Team Yonath und Ramakrishnan fast zeitgleich Kristallstrukturen mit einer Auflösung, die die Lokalisation einzelner Atome ermöglichte ? Steitz die der großen Untereinheit des Ribosoms aus einem bakteriellen Bewohner des Toten Meers und das Team Yonath/Ramakrishnan die der kleinen Untereinheit eines Bakterium aus heißen Quellen.

Mit diesen Daten konnten dann erstmals die Funktionen der einzelnen Untereinheiten bis ins Detail aufgeklärt werden, beispielsweise, wie die kleine Einheit es schafft, so hohe Präzision bei der Proteinproduktion zu erreichen oder wie die große Einheit nach und nach die neugebildeten Proteine zusammenbaut. Zudem ist es allen drei Preisträgern gelungen, zu zeigen, wie verschiedene Antibiotika an das Ribosom von Bakterien andocken ? eine Erkenntnis, die bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe von unschätzbarem Wert ist.

Insgesamt, so schreibt das Nobelkomitee, bringe das Verstehen von Struktur und Funktion des Ribosoms einen großen und direkten Nutzen für die Menschheit mit sich. Die Entdeckungen, die die drei jetzt ausgezeichneten Wissenschaftler gemacht haben, seien sowohl für das Verständnis, wie die Kernprozesse des Lebens funktionieren, als auch für das Retten von Leben wichtig.
Ilka Lehnen-Beyel


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