Chemie-Nobelpreis Die Molekül-Versteher

Ob nun eine Pflanze aus Licht und Luft wächst oder ein Arzneimittel im Körper sein Ziel findet: Chemische Prozesse bestimmen alles. Für die Entwicklung von Computerprogrammen, die diese Reaktionen simulieren, werden nun drei US-Forscher mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Royal Swedish Academy Of Sciences

Von


Stockholm/Hamburg - "Sie können dieses Wissen zum Beispiel nutzen, um neue Medikamente zu entwickeln oder - wie in meinem Fall - einfach um ihre Neugier zu stillen." Als Arieh Warshel das sagt, hat er gerade erfahren, dass er gemeinsam mit zwei Kollegen mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wird. In Los Angeles, wo er an der University of Southern California arbeitet, ist es etwa drei Uhr morgens. Doch um eine Antwort auf die Frage, was für einen Nutzen seine Forschung habe, ist der Chemiker natürlich nicht verlegen.

Warshel sowie Martin Karplus von der Harvard University in Cambridge und Michael Levitt von der Stanford University werden dafür geehrt, dass sie Computermodelle entwickelt haben, die komplexe chemische Prozesse simulieren.

Bei näherer Betrachtung sind diese Modelle durchaus faszinierend. Sie lassen nicht nur erahnen, was die Welt im Innersten zusammenhält, sondern auch, welche Wandlungen sich dort vollziehen. Schließlich ist alles um uns herum, sind auch Menschen selbst - Chemie.

Grundlegende Arbeit in den Siebzigern

In den siebziger Jahren, als die drei Forscher die ersten Programme erstellten, standen Chemiker vor einem Dilemma. Sie konnten einerseits mit Hilfe klassischer Modelle von Atomen und Atomgruppen die Struktur von Molekülen ergründen, auch von sehr großen. Doch diese Modelle spiegelten die Moleküle im Ruhezustand wider und eigneten sich nur bedingt für die Vorhersage chemischer Reaktionen.

Auf der anderen Seite konnten Wissenschaftler mit Hilfe quantenmechanischer Modelle chemische Reaktionen berechnen. Doch weil dafür jedes einzelne Proton, Neutron und Elektron simuliert werden muss, benötigten sie enorme Rechenpower. Es ließen sich also nur Reaktionen sehr kleiner Moleküle darstellen. Nun sind leider in manchen Bereichen gerade die Großen von Interesse, etwa in der Biochemie: nämlich Enzyme, die dafür sorgen, dass Pflanzen aus Licht und Luft organische Materie aufbauen oder Zellen aus Zucker Energie gewinnen.

Karplus, Levitt und Warshel gelang es, Reaktionsmodelle für solche Schwergewichte zu erstellen, indem sie beide Methoden kombinierten: die auf der klassischen Physik beruhende Darstellung von Atomen und die auf der Quantenmechanik basierende von Elektronen und Nukleonen. Das Nobelpreis-Komitee illustrierte diese Kombination bei der Vorstellung am Mittwochvormittag mit Newtons Apfel und Schrödingers Katze, die die verschiedenen Sichtweisen symbolisieren.

Unscharfes Foto

Die Mix-Modelle sind mit einem Foto vergleichbar: Das Hauptaugenmerk liegt auf einem bestimmten Bereich, der scharfgestellt ist und sehr detailliert zutage tritt. Im Hintergrund oder an den Rändern dagegen ist es unscharf. Gerade bei Enzymen kann nur eine Handvoll von Atomen das Zentrum des Geschehens sein, wo sich die chemische Reaktion vollzieht. Während viele Tausende Atome drum herum zwar auch relevant sind, spielen sie in diesen entscheidenden Momenten kaum eine Rolle, weil sie ihre Position nicht verändern oder reagieren. Es ist also verschmerzbar, wenn sie nicht bis ins letzte Detail modelliert werden.

Mit Hilfe der Computermodelle lassen sich also komplexe Moleküle und chemische Reaktionen simulieren. Anschließend können die Ergebnisse im Labor mit praktischen Experimenten bestätigt - oder wieder verworfen - werden. Da sie für jede Art Molekül gelten, greifen die Modelle auch in jeglichen Zweigen der Chemie: bei der Arbeit an einem effizienteren Autokatalysator sind sie ebenso nützlich wie bei der Suche nach potentiellen Arzneiwirkstoffen oder der grundlegenden Erforschung zellulärer Vorgänge.

In einem Aufsatz im Fachmagazin "Nature" hat Michael Levitt 2001 geschrieben, welche Entwicklung die Bioinformatik nehmen könnte. Er wünscht sich dort, dass wir eines Tages in der Lage sein werden, komplexe biologische Prozesse zu berechnen. "Vielleicht können wir sogar von der Genom-Sequenz ausgehend einen gesamten Organismus simulieren." Für diese Leistung wäre wohl ebenfalls ein Nobelpreis fällig.

Mitarbeit: Christina Elmer

insgesamt 37 Beiträge
Alle Kommentare öffnen
Seite 1
Layer_8 09.10.2013
1. Das...
Zitat von sysopRoyal Swedish Academy Of SciencesOb nun ein Pflanze aus Licht und Luft organische Materie aufbaut oder ein Arzneimittel im Körper sein Ziel findet: Chemische Prozesse bestimmen alles. Für die Entwicklung von Computerprogrammen, die diese Reaktionen simulieren, werden nun drei US-Forscher mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/chemie-nobelpreis-2013-die-molekuel-versteher-a-926948.html
...wird noch ein ganz heißes Themengebiet. Der Bereich des Übergangs von klassischer Physik zur Quantenphysik. Könnte sein, dass da auch die Grundlagen unserer Sinneswahrnehmungen liegen sowie tiefgehendes Verständnis der Gehirnfunktionen und vielleicht gar des "Bewusstseins". Physik - Physiologie. Und die Chemiker haben da naturgemäß schon die Nase vorne. Bin gespannt auf weitere Dinge, und der Preis ist mit Sicherheit hochverdient.
ton.reg 09.10.2013
2. Na ja....
Zitat von sysopRoyal Swedish Academy Of SciencesOb nun ein Pflanze aus Licht und Luft organische Materie aufbaut oder ein Arzneimittel im Körper sein Ziel findet: Chemische Prozesse bestimmen alles. Für die Entwicklung von Computerprogrammen, die diese Reaktionen simulieren, werden nun drei US-Forscher mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/chemie-nobelpreis-2013-die-molekuel-versteher-a-926948.html
Für chemische Reaktionen sind keine Berechnungen der Atomkernkomponenten (Proton,Neutron) notwendig. Chemie spielt sich praktisch ausschließlich nur durch die Wirkungen der "Elektronenhülle" ab. Die rechnergestützte Umsetzung deren Wechselwirkungen (Orbitalüberlappungen, Hybridisierungen, Ionisierungen usw) war so zwangsläufig wie die rechnergestützte Ingenieurskunst. Also angewandte Physik auf Rechenmodelle, das zufällig mit Chemie zu tun hat. Ich vermute, für dieses Jahr gab es leider kein Highlight in der tatsächlichen Chemie zu vermelden....
stiip 09.10.2013
3. Gebührende Anerkennung
Also praktisch ein Nobelpreis für die Optimierung von Computer-Simulationsprogrammen. Es erfüllt mich mit stiller Freude, dass "meiner" Zunft endlich einmal gebührende Anerkennung zuteil wird.
Growling Mad Scientist 09.10.2013
4. Einen Organismus simulieren
Zitat von sysopRoyal Swedish Academy Of SciencesOb nun ein Pflanze aus Licht und Luft organische Materie aufbaut oder ein Arzneimittel im Körper sein Ziel findet: Chemische Prozesse bestimmen alles. Für die Entwicklung von Computerprogrammen, die diese Reaktionen simulieren, werden nun drei US-Forscher mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/chemie-nobelpreis-2013-die-molekuel-versteher-a-926948.html
Und an diesem Punkt werden die Forscher wahrscheinlich wieder feststellen, dass die Simulation immer noch nicht mit der Realität übereinstimmt. Denn ein Organismus besteht auf jeden Fall aus sehr viel Chemie, aber da sind noch ein paar andere Sachen, die ein Individuum ausmachen.
cassandros 09.10.2013
5. Des Pudels Kerngehäuse
Zitat von ton.regFür chemische Reaktionen sind keine Berechnungen der Atomkernkomponenten (Proton,Neutron) notwendig. Chemie spielt sich praktisch ausschließlich nur durch die Wirkungen der "Elektronenhülle" ab. Die rechnergestützte Umsetzung deren Wechselwirkungen (Orbitalüberlappungen, Hybridisierungen, Ionisierungen usw) war so zwangsläufig wie die rechnergestützte Ingenieurskunst. Also angewandte Physik auf Rechenmodelle, das zufällig mit Chemie zu tun hat. Ich vermute, für dieses Jahr gab es leider kein Highlight in der tatsächlichen Chemie zu vermelden....
Ein Beitrag aus der Rubrik "Ich verstehe zwar nicht, wovon die Rede ist, habe aber gerade eine Tube Senf zur Hand, aus der ich etwas dazugebe", was? Überleg mal, wie man bei einer reaktionsdynamischen Simulation die Bewegung eines Moleküls beschreibt. Stichworte: Massenschwerpunkte, Trajektorie.
Alle Kommentare öffnen
Seite 1

© SPIEGEL ONLINE 2013
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung


TOP
Die Homepage wurde aktualisiert. Jetzt aufrufen.
Hinweis nicht mehr anzeigen.