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Eine amerikanische Angelegenheit

Alle acht Nobelpreisträger für Medizin und Naturwissenschaft forschen in den USA. Kuriosum: Selten hatte ein Chemie-Nobelpreis so viel mit Physik und ein Medizin-Nobelpreis so viel mit Chemie zu tun.

CHEMIE Computer statt Reagenzglas

Chemie ist, wenn es kracht und stinkt, hieß es einmal. Doch durch die Forschung der Nobelpreisträger Walter Kohn und John A. Pople können Eigenschaften und Reaktionen von Molekülen theoretisch vorhergesagt werden: Heute ist die PC-Maus für Chemiker genauso wichtig wie das Reagenzglas. Haßliebe prägt das Verhältnis zwischen Chemikern, die ihren Alltag im Labor verbringen, und ihren Kollegen, die nur mit Bleistift und Computer hantieren – so sieht es Roald Hoffmann. Der Chemie-Nobelpreisträger von 1981: „Die Experimentatoren meinen, Theoretiker seien realitätsfern und bauten Luftschlösser, aber sie brauchen die Konzepte der Theoretiker, um ihre Ergebnisse zu interpretieren.“ Die Industrie steht sicher nicht im Verdacht, wissenschaftlichen Illusionen nachzuhängen. Trotzdem greifen auch bei Pharmafirmen Chemiker inzwischen häufig nach Tastatur und PC-Maus, bevor sie versuchen, einen neuen Arzneistoff zu synthetisieren. Denn auf dem Computerbildschirm können die Forscher die Oberflächenform eines noch gar nicht existierenden Moleküls sichtbar machen und manche seiner Eigenschaften berechnen (bild der wissenschaft 3/1995, „Rechnen statt Raten“). So sind sie in der Lage abzuschätzen, ob eine Substanz überhaupt mit einem Enzym oder anderen körpereigenen Eiweißstoffen reagieren kann. Nur dann kommt sie als Wirkstoff in Frage – und die mühselige Synthese lohnt sich.

Nun hat das Nobelpreiskomitee dem Physiker Walter Kohn (75) von der Universität Kalifornien in Santa Barbara und dem Mathematiker John A. Pople (73) von der Northwestern Universität in Illinois bestätigt, daß sie bahnbrechende Arbeit bei Methoden geleistet haben, mit denen die Eigenschaften von Molekülen und Reaktionen theoretisch untersucht werden können. Dazu bedienten sie sich quantenphysikalischer Gesetze.

Kohn gelang es 1964, die Beschreibung von Molekülen wesentlich zu vereinfachen: Für viele Zwecke ist es nicht nötig, so erkannte er, die Bewegung jedes einzelnen Elektrons eines Atoms oder Moleküls in die Berechnungen einzubeziehen. Statt dessen genügt es, die durchschnittliche Zahl der Elektronen an jeder Stelle zu bestimmen – die sogenannte Elektronendichte. Die Gleichungen, mit denen sich die Eigenschaften von Molekülen theoretisch beschreiben lassen, waren zwar schon vor Kohns Arbeiten bekannt – sie waren aber so kompliziert, daß sie sich kaum lösen ließen.

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John Pople stellte 1970 die erste Version eines richtungweisenden Computerprogramms vor, mit dem das Verhalten von Molekülen im Chemiekolben vorhergesagt werden kann. Von Pople ständig weiterentwickelt und gefördert durch die gewaltigen Fortschritte der Computertechnologie, trat das Programm seinen Siegeszug um die Welt an und wird heute von Tausenden von Chemikern benutzt – um die zerstörerischen Reaktionen in der Ozonschicht zu entschlüsseln ebenso wie um Sternenstaub zu untersuchen. Pople und Kohn leben und forschen zwar in den USA, sind aber Europäer: Pople ist in England, Kohn in Wien geboren. Bereits im Alter von 16 Jahren mußte der österreichische Jude Kohn seine Heimat verlassen – seine Eltern kamen im Holocaust um. „Kein Federl an den Hut stecken“ könne sich daher die Alpenrepublik mit dem Chemie-Nobelpreis, sagt Peter Skalicky, Rektor der TU-Wien. Trotzdem regnete es gerade aus Österreich Glückwunschtelegramme in Kohns Wohnort Santa Barbara. Dort, so wird kolportiert, geht der 75jährige Kohn auch seinem liebsten Hobby nach: Inline-Skates fahren.

MEDIZIN Vom Saulus zum Paulus

Die Medizin-Nobelpreisträger entlarvten die zweite Identität von Stickstoff- monoxid. Bekannt als Gift, das hochkonzentriert die Atemwege verätzt, ist das Gas für den Menschen lebenswichtig: Es steuert den Blutdruck, stimuliert das Gehirn – und leitet die Erektion ein.

Jeder kann sich selbst davon überzeugen, welche Lawine die drei diesjährigen Medizin-Nobelpreisträger – Robert Furchgott (82), Louis Ignarro (57) und Ferid Murad (62) – losgetreten haben: Allein die Datenbank Medline, die über das Internet frei zugänglich ist (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed/), spuckt beim Stichwort „nitric oxide“ (Stickstoffmonoxid) über 20000 Hinweise auf wissenschaftliche Veröffentlichungen aus. Wöchentlich kommen etwa 100 neue Publikationen hinzu. Immer deutlicher wird, daß Stickstoffmonoxid fast in jedem Organ eine Rolle spielt.

Über Jahrzehnte hinweg war das Gas mit dem chemischen Kürzel NO nur als Gift bekannt, das in hohen Konzentrationen die Atemwege verätzt und den für den Sauerstoff-Transport lebenswichtigen roten Blutfarbstoff blockiert. Doch 1977 fand Murad heraus, daß das Herzmedikament Nitroglycerin seine gefäßerweiternde Wirkung dem NO verdankt. Dem Pharmakologen gelang damals zwar kein experimenteller Nachweis, trotzdem spekulierte er, daß das Gas die Wirkung von Hormonen vermitteln könne. Ein äußerst mutiger Gedanke: Immerhin unterscheiden sich die kleinen gasförmigen und instabilen NO-Moleküle grundsätzlich von allen anderen bekannten Signalstoffen – häufig Eiweißstoffe mit kompliziertem Aufbau. „Neue Ideen entwickelt Murad ständig – manche erscheinen anfangs sehr spekulativ“, sagt Ulrich Förstermann, Professor an der Universität Mainz, der mit ihm zwischen 1989 und 1991 in Chicago zusammenarbeitete.

Robert Furchgott verdankt seinen Nobelpreis einerseits einer zufälligen Entdeckung, andererseits aber seiner außergewöhnlichen Aufmerksamkeit: 1980 beobachtete er, daß ein bestimmter Wirkstoff in Experimenten manchmal die Blutgefäße erweiterte und manchmal zusammenzog. Wie sich herausstellte, hatte ein technischer Assistent bei der Präparation der Gefäße einige Male unabsichtlich das Endothel verletzt, das die Adern innen wie eine dünne Haut auskleidet. Furchgott folgerte, daß nicht der Wirkstoff selber entspannend auf die Muskelzellen der Gefäßwand wirkt, sondern ein vom Endothel gebildeter Stoff, den er „endothelabhängiger relaxierender Faktor“ nannte. Die chemische Natur dieses Faktors blieb sechs Jahre ungeklärt. Auf einer Konferenz präsentierten dann Furchgott und der dritte Preisträger Louis Ignarro unabhängig voneinander ihre Schlußfolgerung, der Faktor sei identisch mit NO (bild der wissenschaft 4/1994, „Das wundersame NO“).

Inzwischen wissen Mediziner, daß NO Arterienverkalkung und Thrombosebildung verhindern und den Blutdruck senken kann. Außerdem hilft es den weißen Blutkörperchen beim Kampf gegen Krebszellen und Krankheitserreger. Allerdings kann die Überproduktion von Stickstoffmonoxid bei einer bakteriellen Infektion auch zu einem lebensgefährlichen septischen Schock führen. Für Nervenzellen ist NO ein Signalstoff, der vielleicht an Lernvorgängen und Gedächtnisprozessen beteiligt ist (bild der wissenschaft 4/1992, „Gedächtnis-Gas aufgespürt“). Der Verdacht besteht, daß ein Zuviel davon sich gegen den eigenen Körper wenden kann – etwa bei der Alzheimerschen Krankheit.

Indem NO die Blutgefäße erweitert, regt es auch die Erektion an. Es steigert dabei die Konzentration von cGMP. Der Abbau dieser Substanz wird von der Potenzpille Viagra gebremst. „Von einem Nobelpreis für Viagra kann aber nicht die Rede sein“, sagt NO-Experte Förstermann. Denn schließlich beruhe die gefäßerweiternde Wirkung der Potenzpille nicht direkt auf Stickstoffmonoxid. Das bestätigt die US-Sprecherin der Viagra-Herstellerfirma Pfizer, Mariann Caprino: Obwohl die Ergebnisse von Murad, Furchgott und Ignarro für die Medizin insgesamt sehr wichtig seien, hätten sie für die Entwicklung von Viagra „nur ein kleines Stück Informa- tion“ geliefert.

PHYSIK Tanz der Elektronen

Für den Quantenhall-Effekt gab es schon 1985 den Nobelpreis. In diesem Jahr erhalten der Deutsche Horst Störmer sowie die Amerikaner Daniel Tsui und Robert Laughlin die Auszeichnung für eine neue Variante dieses Phänomens.

Ein unabhängiger und außergewöhnlicher schöpferischer Geist“, urteilt Prof. Hans-Joachim Queisser. „Ende der sechziger Jahre bin ich ihm zum ersten Mal begegnet“, erinnert sich Prof. Manfred Pilkuhn. Die Stuttgarter Physiker Queisser und Pilkuhn, die Doktorväter des diesjährigen Physik-Nobelpreisträgers Prof. Horst Störmer, waren in den Tagen nach der Bekanntgabe des Stockholmer Komitees gefragte Leute. Denn der Deutsche arbeitet seit über 20 Jahren in den berühmten Bell-Labs bei New York, wo ihm 1982 mit seinem Kollegen Prof. Daniel Tsui, der heute an der Princeton University lehrt, seine bahnbrechende Arbeit über die Quantenflüssigkeiten gelang. Weil der leibhaftige Preisträger nicht sofort greifbar war, mußte sogar Störmers Mutter von einem ZDF-Team in Frankfurt einen Blumenstrauß entgegennehmen.

Daß in den Medien vor allem über Störmers Studienzeit in Deutschland berichtet wurde, hängt auch mit seinem Forschungsgebiet zusammen. Der „fraktionale Quantenhall-Effekt“ ist selbst für Physiker eine harte Nuß. Störmers und Tsuis Arbeiten bauen auf der Entdeckung des Quantenhall-Effekts von Prof. Klaus von Klitzing auf, für die der heutige Direktor des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Festkörperphysik bereits 1985 den Physik-Nobelpreis erhielt.

Schon vor fast 120 Jahren entdeckte der Amerikaner Edwin Hall, daß ein Magnetfeld in einem stromdurchflossenen Leiter einen elektrischen Widerstand erzeugt, der senkrecht zu Strom und Magnetfeld gerichtet ist. Von Klitzing fand heraus, daß in dünnen Halbleiterschichten bei tiefen Temperaturen von circa minus 272 Grad Celsius und starken Magnetfeldern von 30 Tesla der Hall-Widerstand sich nicht mehr kontinuierlich, sondern in ganzzahligen Stufen verändert. Störmer und Tsui entdeckten bei noch extremeren Versuchsbedingungen, daß es über und zwischen den Klitzingschen Plateaus noch weitere Stufen gibt.

1983 lieferte Prof. Robert Laughlin, der als dritter im Bunde den diesjährigen Physik-Nobelpreis erhält, eine theoretische Erklärung für den fraktionale Quantenhall-Effekt: Unter dem Einfluß der Flußquanten des Magnetfelds tanzen die Elektronen im Gleichtakt und schließen sich zu Quasiteilchen zusammen. Solche Quantenflüssigkeiten sind schon länger von Supraleitern und flüssigem Helium bekannt.

Horst Störmer ist seit diesem Jahr Professor an der Columbia University in New York. Einen Ruf an die University München lehnte er 1987 nach einem Jahr zäher Verhandlungen ab. Begründung: Mangelnde Flexibilität der deutschen Hochschulen.

Frank Frick / Bernd Müller / Walter Kohn / John A. Pople / Robert Furchgott / Louis Ignarro / Ferid Murad / Daniel Tsui / Horst Störmer / Robert Laughlin

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Mo|dul 1  〈m. 25〉 1 〈Arch.〉 Grundmaß, das in gewissen einfachen Beziehungen zw. den verschiedenen Bauteilen wiederkehrt 2 〈antike Arch.〉 unterer Säulenhalbmesser (als Maßeinheit) ... mehr

Quan|ten|che|mie  〈[–çe–] f. 19; unz.〉 Teilgebiet der theoret. Chemie, bei dem die Methoden der Quantenmechanik auf chemische Problemstellungen angewandt werden

Schul|me|di|zin  〈f. 20; unz.〉 die allg. anerkannten, an den Hochschulen gelehrten, jeweils dem neuesten Stand der Wissenschaften entsprechenden Lehren u. Regeln der Heilkunde

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