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07.10.2009

Einen Nobelpreis für Biologie gibt es nicht. Aber einen für Chemie - und wie im vergangenen Jahr wurde er 2009 genutzt, um Wissenschaftler zu ehren, die sich um die Biologie verdient gemacht haben.

Ada Yonath vom Weizmann-Institut in Israel, Venkatraman Ramakrishnan aus Cambridge und Thomas Steitz von der Yale-Universität haben einen der grundlegenden Mechanismen der Biologie und des Lebens entschlüsselt: die Übersetzung von Erbinformation in die Grundbausteine der Zelle. Wie wird aus einem Gen ein Protein?

Ohne Proteine geht nichts in Zellen, kaum eine Aufgabe, die sie nicht erledigen: Sie bestimmen die Beschaffenheit von Gewebe, kontrollieren biochemische Reaktionen in Lebewesen, sie zerlegen Nahrung, transportieren Stoffe, steuern als Hormone Vorgänge im Körper.

Jedes Protein hat seine Aufgabe. Jedes Protein ist ein Werkzeug. Und die Zelle baut sich ihre Werkzeuge selbst. Dafür hat sie ihre Fabriken - die Ribosomen.

Yonath, Ramakrishnan und Steitz waren zwar nicht die Entdecker der Ribosomen; zum ersten Mal unter dem Mikroskop beobachtet wurden sie von dem Rumänen George Palade in den fünfziger Jahren, und auch dafür gab es den Nobelpreis. Yonath, Ramakrishnan und Steitz haben auch nicht herausgefunden, dass die Ribosomen die Eiweißfabriken der Zellen sind. Aber die drei haben als erste verstanden, wie ein Ribosom aufgebaut ist und wo die einzelnen Schritte der Proteinherstellung passieren.

Ada Yonath gab den Startschuss für die Entschlüsselung der Ribosomen

Das kugelförmige Ribosom besteht aus zwei unterschiedlich großen Untereinheiten. In ihrem Inneren liegt ein Tunnel - hier entstehen die neuen Proteine. Ribosomen bestehen selbst aus Proteinen, aber auch aus RNA, einer der DNA ähnlichen Nukleinsäure.

Der Mechanismus der Proteinherstellung läuft so ab: Da die Ribosomen nicht im Zellkern sitzen, wo die Erbinformation liegt, muss zunächst die Information zu ihnen gelangen. Das besorgt ein Botenmolekül, die mRNA (m steht für messenger, englisch Bote). An den mRNA-Strang heftet sich das Ribosom an. Jeweils drei Genbuchstaben auf der mRNA sind der Code für eine bestimmte Aminosäure, die Bausteine der Proteine. Die Ribosomen lesen die Abfolge mit Hilfe kleiner RNA-Moleküle und heften nun jeweils die richtigen Aminosäuren aneinander. So entsteht schließlich ein bestimmtes Protein mit seiner ganz speziellen Aminosäure-Abfolge.

Den Startschuss für die Entschlüsselung der Ribosomenstruktur gab Ada Yonath. Sie züchtete aus Ribosomen Kristalle, mit denen man schrittweise ihre Struktur entschlüsseln konnte. Diese Kristalle beleuchtet man mit Röntgenstrahlen. Anhand der Beugungsmuster kann man auf die räumliche Struktur zurückschließen. Thomas Steitz knöpfte sich dann die große Untereinheit vor, Ramakrishnan die kleine.

"Von unschätzbarem Wert für die Antibiotika-Entwicklung"

Es war ein langer Weg: Der erste Durchbruch in der Entschlüsselung gelang Ada Yonath Anfang der achtziger Jahre. Die endgültige atomare Struktur des Ribosoms lag erst im Jahr 2000 vor.

Jens Peter Fürste, Biochemiker an der FU Berlin, forscht an künstlichen RNA-Molekülen. Er kennt Ada Yonath noch aus den achtziger Jahren. Damals arbeitete sie am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin, züchtete dort die ersten Ribosomen-Kristalle. Am Hamburger DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) wurden die Beugungsmessungen gemacht.

"Dieser Nobelpreis ist gerechtfertigt, weil ihre Arbeit von unschätzbarem Wert für die Antibiotika-Entwicklung ist", sagt Fürste. Hauptangriffspunkt im Kampf gegen krankheitserregende Bakterien sind nämlich deren Ribosomen. Wie in jedem Krieg versucht man, die Industrie des Feindes zu schwächen. Nicht anders im Kampf gegen Bakterien: Legt man ihre Eiweiß-Fabriken lahm, ist der Gegner handlungsunfähig. Viele Antibiotika attackieren dieses Ziel.

"Mit der genauen Kenntnis der Ribosomen-Struktur kann man neue Antibiotika gezielt designen", sagt Fürste. Im ständigen Wettlauf gegen immer neue resistente Bakterienstämme ist das ein enormer Vorteil.

Eines der heißesten Felder in der Molekularbiologie

Abgesehen von der pharmazeutischen Relevanz haben die Erkenntnisse Yonaths, Steitz' und Ramakrishnans auch ein Umdenken in der Biologie eingeleitet. "Die meisten Wissenschaftler hatten immer geglaubt, dass die Proteine in den Ribosomen die Hauptrolle bei der Eiweißherstellung spielen", sagt Fürste. "Doch es ist umgekehrt die RNA. Und das haben die drei erstmals bewiesen."

Sie lenkten das Augenmerk der Biologen wieder auf diese Nukleinsäure, mit weitreichenden Folgen: Die RNA-Forschung ist heute eines der heißesten Felder in der Molekularbiologie. Sah man früher in RNA einen passiven Informationsvermittler, weiß man spätestens seit den Arbeiten Yonaths und ihrer Kollegen, dass diese Nukleinsäure eine aktive Rolle bei Syntheseprozessen in der Zelle spielt.

Und damit nicht genug: Die Erkenntnisse Yonaths, Steitz' und Ramakrishnans haben auch den Evolutionsbiologen auf die Sprünge geholfen. Schon lange hatte man vermutet, dass der Übergang vom einzelligen zum vielzelligen Leben mit einer Kooperation begann. Bakterien und Algen wanderten in andere Zellen ein, machten fortan mit ihnen gemeinsame Sache und teilten sich die Aufgabenfelder. Die eingewanderten Bakterien produzierten die Energie für die Zelle. Dafür ließen sie sich von ihr durchfüttern und beschützen.

Ein Glück für die Pharmaforschung

Die Nachfahren dieser Einzeller finden sich heute in den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zellen, glauben Wissenschaftler. Auch sie haben Ribosomen und stellen Proteine her. Doch diese sogenannte Endosymbiontentheorie zu beweisen ist schwierig - keiner war vor Milliarden Jahren dabei, als sich Einzeller zu Vielzellern zusammentaten.

Die Ribosom-Forschung hat auch bei dieser Frage weiter geholfen. Denn die Mitochondrien-Ribosomen unterscheiden sich von denen im Rest der Zelle - und gleichen denen von Bakterien, sagt Fürste. Für ihn ist das mehr als nur ein starkes Indiz für die Endosymbiontenhypothese: "Ich würde jede Wette darauf eingehen, dass es so war."

Dass sich die Ribosomen von Einzellern und Vielzellern unterscheiden, ist auch ein Glück für die Pharmaforschung. Antibiotika können so gezielt nur die Bakterien-Ribosomen angreifen und verschonen die des Patienten. Auch seine Mitochondrien-Ribosomen sind sicher. Denn die liegen doppelt geschützt im Inneren der Mitochondrien und der Zelle.

Anmerkung der Redaktion: In einer früheren Version dieses Textes wurden alle drei Forscher der Yale-Universität zugerechnet. Tatsächlich arbeitet nur Thomas Steitz dort, die anderen beiden in Israel und Großbritannien. Wir bitten, den Fehler zu entschuldigen.