Chemie-Nobelpreis für Entdecker der Quantenpunkte
Sie stecken in QLEDs, in vielen Fernsehern und werden in der Medizin als Markersubstanzen genutzt: Quantenpunkte sind heute wichtige Helfer in Elektronik und Medizin. Entscheidend für die Quantenpunkte ist dabei ihre Fähigkeit, bei Anregung durch Strom oder Strahlung Photonen einer bestimmten Wellenlänge abzugeben. Welche Lichtfarbe entsteht, hängt dabei direkt von der Größe der zugrundeliegenden Nanopartikel ab.
Das dies so ist, entdeckte der erste Preisträger, Alexei Ekimov von Nanocrystals Technology in New York im Jahr 1979, als er – damals noch in der ehemaligen Sowjetunion - an farbigen Gläsern forschte. Am Beispiel von Kupferchlorid-Nanokristallen im Glas stellte er fest, dass sich das Spektrum des von diesem Glas absorbierten Lichts in Abhängigkeit von der Größe der Kristallpartikel veränderte: Je kleiner die Nanokristalle waren, desto stärker war die Lichtfarbe ins Blaue verschoben.
1983 folgte der nächste Schritt durch ein Team um Louis Brus von der Columbia University in New York. Bei der Forschung an kolloidalen Nanopartikeln in Lösung entdeckten auch sie den Effekt der Partikelgröße auf das Spektrum der angeregten Teilchen und stellten ein entsprechendes Modell auf. Allerdings war die gezielte Herstellung solcher Quantenpunkt noch aufwendig und nur auf bestimmte Partikel beschränkt.
Das änderte sich jedoch 1993 durch die Arbeit des dritten Preisträgers, Moungi Bawendi vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Er entwickelte erstmals eine Methode, durch die Quantenpunkte mit definierter Größe und hoher optischer Qualität hergestellt werden konnten. Für diese Synthese werden Vorläufersubstanzen in ein heißes Lösungsmittel mit hoher Siedetemperatur injiziert. Dabei kommt es zu einer abrupten Übersättigung der Lösung und winzige Partikel beginnen auszukristallisieren. Durch schnelle Verringerung der Temperatur und Verdünnung lässt sich dieser Prozess stoppen, aber auch weiterführen.
Zusammen haben die drei Chemie-Nobelpreisträger damit eine Entwicklung ermöglicht, die schon jetzt ein wichtiger Bestandteil moderner Elektronik und Technologie ist. "Die Entdeckung der Quantenpunkte und die Fähigkeit, solche Materialien mit hoher Präzision, aber relativ einfachen chemischen Methoden herzustellen, war ein entscheidender Schritt in der Entwicklung der Nanoforschung und Nanotechnologie", erklärt das Nobelpreis-Komitee.
Physik-Nobelpreis für die Attosekundenphysik
Den Physiknobelpreis 2023 erhalten drei Forschende, durch die wir heute die Zustandswechsel und Bewegungen von Elektronen in der Atomhülle erfassen können – etwas, das zuvor als zu schnell für jede Messung galt. Wenn Atome mit energiereichem Licht bestrahlt werden, nehmen ihre Elektronen einen Teil der eingestrahlten Energie auf und wechseln in einen höheren Energiezustand. Im Extremfall ist die Energie so hoch, dass ein oder mehrere Elektronen ganz aus ihren Orbitalen katapultiert werden – das Atom wird zum Ion.
Lange galten diese Sprünge der Elektronen als quasi instantan, weil sie sich schlicht nicht messen ließen. Dafür bräuchte man einen "Scheinwerfer", dessen Licht kurzwellig und kurz genug ist, um die Elektronen quasi wie in einem Stroboskop abzulichten. Doch es gab lange Zeit keine Laser, die Licht in diesem kurzwelligen Spektralbereich produzieren konnten bis die drei diesjährigen Nobel-Preisträger die Grundlagen für Attosekunden-Laserpulse entwickelten.
Anne L’Huillier von der Universität Lund und ihr Team entdeckten im Jahr 1987, dass beim Bestrahlen von Edelgasatomen ein Lichtstrahl mit einer Vielzahl von energiereichen Frequenz-"Obertönen" entsteht. Pierre Agostini von der Ohio State University in Columbus und Ferenc Krausz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching entwickelten dann parallel zueinander die Techniken, um diese "Obertöne" so zu überlagern, dass aus UV- und Röntgen-Laserpulse von wenigen hundert Attosekunden Länge entstehen. Mit solchen Pulsen wird es erstmals möglich, das Verhalten von Elektronen zu messen – eine wichtige Errungenschaft für die Chemie, Physik und Materialforschung.
Medizin-Nobelpreis für die Grundlagenforschung zu mRNA-Impfstoffen
Impfstoffe trainieren unser Immunsystem, sodass es bei Begegnungen mit Bakterien oder Viren schneller reagieren kann. Es erkennt die Erreger und bildet Antikörper gegen ihre Bausteine. Der biologische Mechanismus unterscheidet sich dabei je nachdem, ob es Tot-, Protein- oder Vektorimpfstoffe sind. Seit der Corona-Pandemie durch das Coronavirus Sars-CoV-2 gibt es aber noch eine weitere, neue Impfstoffart: Die mRNA-Vakzine. Sie basieren auf mRNA (messenger-RNA), die ohne Vektor direkt in menschliche Zellen injiziert wird, wo nach deren Anleitung Erregerproteine hergestellt werden und so eine Immunreaktion ausgelöst wird. Diese Impfstoffe verdanken wir den beiden diesjährigen Medizin-Nobelpreisträgern, die die Grundlagen für deren Entwicklung und millionenfachen Einsatz gelegt haben.
An der University of Pennsylvania erforschte die ungarische Biochemikerin Katalin Karikó bereits in den 1990er Jahren gemeinsam mit dem US-amerikanischen Immunologen Drew Weissman, wie künstlich hergestellte mRNA mit den verschiedenen Zellen unseres Immunsystems interagiert. Karikó und Weissman entdeckten, dass sogenannte dendritische Zelle die synthetisch hergestellte mRNA als körperfremd erkennen und daraufhin entzündungsfördernde Stoffe freisetzen. Aber woran erkennen die Zellen die fremde mRNA?
Dieser Frage gingen die beiden Forschenden nach und untersuchten, worin sich künstliche von körpereigener mRNA unterscheidet. 2005 stellten sie fest: Die beiden mRNA-Typen sind zwar aus denselben Bausteinen aufgebaut, den Nukleosiden, die vier verschiedene Nukleinbasen (Adenin, Uracil, Guanin, Cytosin) enthalten. In unserem Körper werden diese Basen allerdings auf natürliche Weise chemisch modifiziert, bei den Bausteinen der künstlich hergestellten mRNA war dies zunächst nicht der Fall. Als Karikó und Weissman auch modifizierte Basen in die synthetische mRNA einbauten, reagierte das Immunsystem nicht mehr mit Entzündungen.
Eine neue Klasse von Impfstoffen
In den folgenden Jahren wiesen die beiden Preisträger zudem nach, dass aus künstlicher mRNA mit modifizierten Basen auch effektiv Proteine hergestellt werden können. Dies war eine wesentliche Voraussetzung, um später aus viraler mRNA virale Proteine herzustellen. Ab 2010 forschten mehrere Firmen an mRNA-Impfstoffen. Mit dem Ausbruch der Corona-Pandemie Anfang 2020 wurde erstmals ein solcher Impfstoff gegen einen bis dahin unbekannten Erreger entwickelt. Bereits im Dezember 2020 wurden zwei mRNA-Vakzine gegen Covid-19 zugelassen. Damit war es die bislang schnellste Impfstoffentwicklung, die ohne die jahrzehntelange Forschung von Káriko und Weissman allerdings nicht möglich gewesen wäre.
Die mRNA-Impfstoffe gegen Covid-19 eröffnen auch neue Möglichkeiten für die Entwicklung anderer Impfungen, beispielsweise gegen Grippe oder HIV, aber auch gegen einige Krebsarten. Doch bereits jetzt haben sie Millionen Leben gerettet und viele weitere Menschen vor einem schweren Krankheitsverlauf bei Covid-19 geschützt.
