Wie werden aus den Erbinformationen im Zellkern die Werkzeuge des Lebens – die Eiweiße? Zentrale Organe in diesem Geschehen sind die Ribosomen in jeder Zelle. Ihren Aufbau haben eine israelische und zwei US-Wissenschaftler erforscht. Dafür erhalten sie den mit rund einer Million Euro dotierten Chemie-Nobelpreis 2009.
Die Auszeichnung geht zu gleichen Teilen an Ada E. Jonath (70) vom Weizmann-Institut in Rehovot, den in Indien geborenen und am Medical Research Council im britischen Cambridge arbeitenden Venkatraman Ramakrishnan (57) sowie Thomas A. Steitz (69), der am Howard Hughes Medical Institute der Yale-Universität in New Haven arbeitet.
Jonath hat zwischen 1979 und 1983 sowie 1986 bis 2004 als Gastprofessorin am Berliner Max-Planck-Institut (MPI) für Molekulare Genetik geforscht. Die Arbeiten der drei sind Grundlagenforschung, können aber auch zu neuen Medikamenten und zu einer effizienteren Herstellung von Arzneimitteln führen.
Tausende Enzyme in jedem Organismus kontrollieren als Biokatalysatoren biochemische Reaktionen. Sie zerlegen im Darm Nährstoffe und stellen daraus neue Bausteine für den Organismus her, sie aktivieren Hormone und Botenstoffe und regeln die Energieproduktion. Kurz: Enzyme sind die Arbeitstiere des Lebens. Nach ihrer chemischen Struktur gehören sie zu den Eiweißen (Proteinen). Auch Haare, Haut und Muskeln enthalten Eiweiße. Antikörper, Insulin und Hämoglobin sind ebenfalls Eiweiße.
Wie sie in den Ribosomen hergestellt werden (vom Einzeller bis zum Mammutbaum oder Menschen), ist das Lebensthema der drei Forscher. Ihre Erkenntnisse könnte man auch überschreiben mit „Wie aus Genen Leben wird“. Denn Grundlage der biologischen Eiweißsynthese sind die genetischen Baupläne im Zellkern, gespeichert in Form der DNA (Desoxyribonukleinsäure). Die Nukleinbasen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) sind die vier Buchstaben dieses genetischen Codes.
Vom Zellkern wandert eine Abschrift der DNA zu den Ribosomen. Diese Abschrift (RNA, Ribonukleinsäure) könnte man als chemischen Vetter der DNA bezeichnen, statt des Thymins enthält RNA die Nukleinbase Uracil (U). In den Ribosomen wird diese Abschrift Buchstabe für Buchstabe eingelesen und in Aminosäuren, die Bausteine der Eiweiße, übersetzt. Jeweils eine RNA-Sequenz steht für eine Aminosäure.
Was nach reiner Biologie aussieht, ist doch auch chemische Forschung. Denn die drei Wissenschaftler untersuchten, wie Ribosomen auf atomarer Ebene aufgebaut sind. Um zu klären, an welchen Positionen im Ribosom dessen Hunderttausende Atome sitzen, nutzten sie die Methode der Röntgenkristallografie: Beim Durchstrahlen von Objekten mit Röntgenlicht lenkt jedes Atom die Strahlen ein wenig ab. Hinter dem Kristall entsteht so ein Punktmuster der Beugungsvorgänge. Mithilfe komplexer mathematischer Prozesse können Röntgenkristallografen auf die Position der Atome schließen. So ergibt sich ein Bild der atomaren und räumlichen Struktur.
Zuvor jedoch müssen sich Ribosomen, um sie der Untersuchungsmethode überhaupt zugänglich zu machen, zu perfekten Kristallen zusammenlagern. Bei komplexen biologischen Objekten galt das als unmöglich. Ada Jonaths Idee war, dies mit besonders stabilen Ribosomen aus Organismen zu probieren, die harsche Umweltbedingungen ertragen müssen. Mit den Ribosomen des Bakteriums Geobacillus stearothermophilus gelang ihr das im Jahr 1980 für eine der Ribosom-Untereinheiten.
Die Skepsis der Kollegen schwand daraufhin und weitere Forscher widmeten sich diesem Gebiet – darunter Steitz und Ramakrishnan, die sich nun verstärkt auch der Interpretation der Röntgenkristallogramme zuwandten. Nahezu gleichzeitig, im August und September 2008, publizierten sie – Steitz einerseits und Jonath zusammen mit Ramakrishnan – die ersten scharfen Bilder, die die Positionen der Atome in den Untereinheiten des Ribosoms zeigten. Die Eiweißfabrik war entschlüsselt.
Vor allem Mediziner und Pharmakologen interessieren sich dafür. So haben einige Forscher an der Harvard-Universität Anfang dieses Jahres ein Ribosom künstlich hergestellt. Sie wollen Eiweiße effizienter als bisher synthetisieren. Das könnte für die Herstellung von Impfstoffen und Medikamenten bedeutsam sein. Heute schafft man biologische Medikamente mit genetisch umprogrammierten Bakterien und Hefen. Doch 90 Prozent der Biomasse sind nutzlos, für ein paar Gramm Medikamentenprotein wird ein Kilogramm Biomasse produziert. Mit künstlichen Ribosomen könnte das weit effizienter gelingen.
Eine andere nicht minder wichtige Seite der nobelpreisgekürten Arbeiten: Viele gängige Antibiotika zerstören pathogene Bakterien, indem sie deren Ribosomen knacken. Die genaue Kenntnis der Ribosomenstruktur – beim Bakterium und beim Menschen als Wirtsorganismus – könnte zu neuen wirksamen Antibiotika führen. Medikamente, die menschliche Proteinfabriken schonen und nur die bakteriellen zerstören.
In Pharmafabriken synthetisch hergestellte Medikamente haben zudem einen gravierenden Nachteil: Oft entstehen zwei Formen, die zwar dieselben Atome enthalten, aber einen spiegelbildlichen Aufbau besitzen. Sie verhalten sich wie Original und Spiegelbild zueinander. In Organismen ist in der Regel nur eine von beiden aktiv, nur eine Substanzform ist medizinisch erwünscht. Die andere Variante ist im besten Falle irrelevant, im schlimmsten Fall aber toxisch, erbgut- oder fruchtschädigend. Das hat der Fall Contergan in den 60er-Jahren dramatisch gezeigt.
Heute umgehen Arzneihersteller dieses Risiko, indem sie die gewünschte Variante mit technisch aufwendigen Verfahren von der unerwünschten abtrennen. Künstliche Ribosomen könnten dieses Problem umgehen, indem sie – dem Leben nachempfunden – überhaupt nur noch das eine relevante Eiweiß herstellen würden.
