Chemie-Nobelpreis für Konstrukteure molekularer Maschinen
Maschinen, Motoren und andere technische Bauteile können Wissenschaftler heute bis in winzigste Maßstäbe verkleinern: vom Nanoauto aus nur einem Molekül, über einen winkenden Nanoroboter aus DNA bis hin zu extrem schnellen Nanorotoren und einem lichtgetriebenen Nano-U-Boot. All diese molekularen Maschinen beruhen auf chemischen Entwicklungen und Erfindungen der drei diesjährigen Nobelpreisträger für Chemie Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart und Bernard Feringa.
Den Grundstein für solche winzigen Maschinen legte Sauvage bereits zu Beginn der 1980er Jahre. Er forschte damals an photochemischen aktiven Molekülkomplexen mit zentralen Kupferatomen und entwickelte die Molekülklasse der Catenane, die sich beweglich wie die Glieder einer Halskette miteinander verknüpfen lassen. Der Chemiker schuf damit die Basis für die Gelenke und Getriebe heutiger Nanomaschinen.
Der nächste Schritt gelang dem aus Schottland stammenden Chemiker Stoddart. Er konstruierte 1991 erstmals ein weiteres grundlegendes Bauteil für Nanomaschinen, die sogenannten Rotaxane. Diese bestehen aus einem langen, stabförmigen Molekül, das als Achse dient, und einem darum gelegten ringförmigen Molekül aus aromatischen Kohlenwasserstoffen. Wird diesem Bauteil Energie, beispielsweise in Form von Wärme zugeführt, bewegt sich der Ring zwischen den beiden Enden der Achse hin und her – wie ein winziges Shuttle.
Nachdem diese beiden chemischen Nano-Bauteile erfunden waren, begann weltweit der Wettlauf um den ersten echten Nanomotor. Das Rennen machte 1999 der niederländische Chemiker Bernard Feringa. Ihm gelang es als ersten, ein Molekül zu konstruieren, dass bei Beleuchtung in eine Richtung rotiert – sozusagen ein chemischer Propeller. Wenig später kombinierten Feringa und seine Kollegen vier solcher Nanorotoren mit einer molekularen Karosserie und schufen so ein von Licht angetriebenes Nanoauto. Die Basis für das gesamte neue Forschungsfeld der molekularen Maschinen war damit gelegt.
Physik-Nobelpreis für die Erforschung exotischer Materiezustände
Unter normalen Bedingungen kommt Materie in drei Aggregatzuständen vor: fest, flüssig oder gasförmig. Doch bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und in ultradünnen Schichten treten weitere, exotische Zustände der Materie auf. So wird ein Feststoff plötzlich zum Supraleiter und lässt Elektronen widerstandsfrei passieren. Helium-4 wiederum wird zum Superfluid – eine reibungslose Flüssigkeit, die senkrechte Wände hochfließen kann und in der Wirbel unendlich lange weiterrotieren.
Doch warum ist das so? Eine Erklärung für diese bis in die 1970er Jahre als rätselhaft geltenden Phänomene haben die diesjährigen Nobelpreisträger für Physik geliefert. Die britischen Forscher David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz erforschten die ungewöhnlichen Materiezustände mithilfe eines mathematischen Ansatzes: der Topologie. Diese beschreibt mit Hilfe von Formeln die Eigenschaften von geometrischen Objekten, die auch bei Verzerrung, Dehnung oder Drehung gleichbleiben. In der Topologie gehören beispielsweise eine Kugel und eine Schale in die gleiche Kategorie, weil sie durch Verformen ineinander umgewandelt werden können.
Durch den Blickwinkel der Topologie entdeckten Thouless und Kosterlitz, welche Gesetzmäßigkeiten die exotischen Phasenübergänge in ultradünner, kalter Materie kontrollieren – und dass der Wechsel der topologischen Kategorie von Einzelwirbeln zu Wirbelpaaren dafür charakteristisch ist. Später untersuchte Haldane gemeinsam mit Thouless auch die topologischen Eigenschaften von magnetischen Atomketten. Er übertrug die Erkenntnisse seiner Kollegen zu ultradünnen, quasi zweidimensionalen Schichten damit auf eine quasi eindimensionale Ebene und trug dazu bei, auch hier eine neue Sicht auf solche atomaren Gebilde zu schaffen. Die Wissenschaftler legten damit die physikalische Basis für eine neue Ära in der Festkörperphysik und ein ganz neues Verständnis der Vorgänge auf atomarer Ebene.
Medizin-Nobelpreis für die Autophagie-Entschlüsselung
Damit unser Körper gut funktioniert, muss er regelmäßig von unerwünschtem Abfall befreit werden: Bei diesen Autophagie genannten Vorgängen entsorgen Zellen nicht nur ihre eigenen ausgedienten Bestandteile, sondern verwerten manche Reste auch wieder. Wenn in Zeiten von Hunger oder Stress der Energienachschub knapp wird, können sie auf diese Weise neue Energie gewinnen. Doch nicht nur das: Die Autophagie trägt beim Embryo außerdem dazu bei, dass sich die verschiedenen Zelltypen und Gewebe entwickeln.
Gleichzeitig sorgt diese "Müllabfuhr" – wörtlich "Selbst-Fressen" – bei einer Infektion dafür, dass bakterielle oder virale Erreger abgebaut und eliminiert werden. Eine entscheidende Rolle spielt die Autophagie zudem für die Gesunderhaltung der Zelle, indem sie fehlgebildete oder beschädigte Proteine und Zellbausteine beseitigt. Wie dieses zelleigene Entsorgungssystem funktioniert, hat der diesjährige Nobelpreisträger für Medizin entschlüsselt.
Der japanische Forscher Yoshinori Ohsumi deckte in den 1990er Jahren durch die Forschung an Bierhefezellen auf, dass die sogenannten Autophagosomen entscheidende Akteure der bereits in den 1950er Jahren erstmals entdeckten Autophagie sind – kleine runde Körperchen, in denen zu entsorgendes Material zum Ort der finalen Müllentsorgung, den Lysosomen, transportiert und dabei schon vorzerkleinert wird. Durch weitere Experimente gelang es Ohsumi, die ersten für die Autophagie essenziellen Gene und die von ihnen produzierten Proteine zu identifizieren. Er entschlüsselte schließlich die gesamte Kaskade der Proteine und Proteinkomplexe, die die Autophagie der Zelle regulieren.
Dank Ohsumi und den auf seinen Arbeiten basierenden Forschungen wissen wir heute, wie die zelleigene Müllabfuhr gesteuert wird und welche entscheidenden physiologischen Funktionen sie hat. Durch ihre Funktion als "Aufräumer" spielt die Autophagie auch eine Schlüsselrolle für Krankheiten wie Parkinson und Alzheimer, aber auch Krebs.
