Der Chemie-Nobelpreis 2013 geht an drei Theoretiker: Martin Karplus, Michael Levitt und Arieh Warshel erhalten die Auszeichnung für ihre Modelle zur Berechnung von molekularen Wechselwirkungen.
(9.Oktober 2013) Spinach on the ceiling („Spinat an der Decke“) heißt ein autobiographisch gefärbter Artikel von Martin Karplus in Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure. Hinter dem Titel steckt eine Anekdote aus der Kindheit des frisch gekürten Nobelpreisträgers. Er hatte einmal einem Löffel Spinat derart viel Impuls mitgegeben, dass der grüne Fleck noch lange an der Decke der Wiener Wohnung der Familie Karplus zu sehen war.
Später hat Martin Karplus sein Interesse von der angewandten Physik auf die theoretische Chemie verlagert. Wer sich also unter einem Chemie-Nobelpreisträger einen Menschen mit Laborkittel und Erlenmeyerkolben vorstellt, der unter der Abzugshaube mit rauchenden und toxischen Substanzen hantiert, der liegt zumindest in diesem Jahr weit daneben.
Die drei Preisträger Martin Karplus (Universität Strasbourg und Harvard), Michael Levitt (Stanford) und Arieh Warshel (Los Angeles) ziehen Papier und Bleistift dem Laborgestank vor. Wie kann man Wechselwirkungen zwischen Molekülen exakt beschreiben und vorhersagen? Was passiert beispielsweise auf der atomaren Ebene, wenn ein Enzym seine Konformation ändert, sobald ein Hemmstoff daran bindet? Kann man diese Wechselwirkung gar vorhersagen, ohne ein Experiment zu machen? Das sind einige der Fragen, um die ihre Theorien kreisen.
Will man molekulare Wechselwirkungen mit einer Auflösung bis hinunter auf Protonen und Elektronen verstehen, dann kommt man mit der rechnerisch vergleichsweise einfachen Newtonschen („klassischen“) Mechanik nicht weit. Was genau passiert, wenn sich die Einfluss-Sphären von Atomen überschneiden, kann man nur verstehen und simulieren, wenn man sich in das wundersame Reich der Quantenmechanik begibt. In der Welt des Allerkleinsten sind die Mitspieler - also Elektronen im Orbital eines Atoms beispielsweise - nicht an Ort und Zeit festgelegt; Aufenthaltswahrscheinlichkeiten, Orbitalenergien und Schrödingers Wellenfunktion sind Stichworte, die dem Laien vor allem eins signalisieren: Jetzt wird es kompliziert.
Und in der Tat: Quantenmechanische Berechnungen in großer Zahl sind auch für Computeralgorithmen eine Herausforderung. In der Praxis ist es schlicht unmöglich, das Verhalten großer Proteine auf die fundamentalen Prinzipien der Quantenchemie zurückzuführen.
Karplus, Levitt und Warshel bekommen die Auszeichnung aus Schweden nun dafür, dass sie Modelle entworfen hatten, die die grundverschiedenen Welten Newtons und Schrödingers pragmatisch vereinen. Vereinfacht gesagt: Dort, wo es darauf ankommt, kommen die Regeln der Quantenchemie zum Einsatz – also beispielsweise an der Bindestelle eines Liganden. Der Rest des Moleküls wird näherungsweise mit klassischer Physik modelliert.
Wie das Nobelpreiskomitee anmerkt, ist heute der Computer für Chemiker und Strukturbiologen genauso wichtig wie das Reagenzglas. Mit den Methoden der drei Preisträger ist es beispielsweise oft möglich vorherzusagen, was passieren wird, wenn eine pharmazeutische Substanz auf ein Enzym trifft. Noch einen Schritt weitergedacht: Wenn Drug Designer am Reißbrett gezielt Moleküle entwerfen, die eine bestimmte Wirkung haben sollen, so benötigen sie dazu oft ebenfalls die Modelle der theoretischen Chemiker.
Wie am Montag beim Medizin-Nobelpreis, so gehen auch heute alle drei Preise an Forscher mit amerikanischem Pass. Karplus ist gebürtiger Österreicher, aber er floh mit seiner Familien schon 1938 in die USA, kurz nach dem Anschluss Österreichs an Nazi-Deutschland.
Karplus war der letzte Doktorand des Chemie-Übervaters Linus Pauling und er selbst ist auch schon eine Lehrbuch-Größe (meist im Zusammenhang mit der „Karplus-Gleichung“, die Studenten lernen müssen, um von NMR-Experimenten auf Protein-Geometrie zu schließen).
Der theoretische Chemiker Ashutosh Jogalekar merkt auf seinem Blog auf den Seiten von Scientific American an, dass der Chemie-Nobelpreis 2013 mehr als in vergangenem Jahren nicht einzelnen Personen, sondern einem ganzen Feld gilt: Denn das Nobelpreis-Komitee würdigt damit auch, wie sehr der Fortschritt in der modernen Chemie von Theoretikern und Computerwissenschaftlern abhängt.
Und nur am Rande bemerkt: Mit der Systembiologie dringen intelligente Experimentier-Muffel langsam auch in den Bereich der Physiologie vor. Man darf also gespannt sein, ob für Theoretiker auch mal ein Medizin-Nobelpreis drin sein wird.
Hans Zauner
Fotos: Harvard/Stanford/USC
Quellen:
* Artikel von Ashutosh Jogalekar im Blog-Netzwerk von American Scientific
* Martin Karplus, Spinach on the Ceiling Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure
* Pressemitteilung des Nobelkomitees