Gesundheit : „Selbst einfache Proteine haben wir noch nicht verstanden“

Der Physiker Hans Frauenfelder versucht, das Zusammenspiel lebenswichtiger Moleküle zu entziffern

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Bevor Sie sich der Biologie zuwandten, haben Sie sich lange mit Kern und Teilchenphysik befasst. Ist die physikalische Welt, aufgebaut aus kleinsten Teilchen, im Grunde einfach zu verstehen? Oder herrscht auch im Mikrokosmos eines Atomkerns ein unüberschaubares Chaos?

Ich würde es nicht Chaos nennen. Zwar ist auch ein Atomkern nicht einfach. Biologische Systeme sind jedoch viel komplexer. Und das muss so sein. Einfache biologische Systeme hätten keine Möglichkeit, auf ihre Umwelt zu reagieren und ihre vielen Aufgaben zu erfüllen.

Proteine haben in unserem Körper viele Funktionen. Sie sind Strukturbausteine der Zelle, Enzyme, Antikörper etc. Wie haben wir uns Proteine vorzustellen?

Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut. Etwa einige 100 Aminosäuren werden in der Zelle zu einer Kette zusammengeschweißt. Diese Kette faltet sich zu einem oft kugelförmigen Körper zusammen. Wenn man sich die Röntgenaufnahmen von Proteinen anschaut, sehen sie darauf aus wie kleine Kristalle. Die Struktur der ersten zwei Proteine wurde von John Kendrew und Max Perutz gefunden…

… die Struktur des Blutfarbstoffs Hämoglobin und des Muskelfarbstoffs Myoglobin.

Heute haben wir viel bessere Röntgenquellen wie Desy in Hamburg. So nimmt die Zahl von bekannten Proteinstrukturen rasant zu.

Es sind Physiker, die mit neuen Apparaturen einen neuen Einblick in biologische Systeme erhalten. Ernst Ruskas Elektronenmikroskop ermöglichte es in den 30er Jahren, erstmals ins Innere der Zelle hineinzuschauen, heute benutzen Forscher die Kernspinresonanztomografie. Warum widmen Sie sich als Physiker seit 30 Jahren der Biologie, speziell den Proteinen?

Man kann Proteine wie andere Stoffe als physikalische Systeme ansehen. Dazu ist es am besten, mit einem relativ einfachen Protein zu beginnen. Myoglobin schien vor 30 Jahren eine solches Protein zu sein. Ich dachte, wir würden uns das eine Woche anschauen und dann zu komplizierteren Proteinen übergehen. Aber nach 30 Jahren Arbeit an diesem Protein, haben wir es immer noch nicht voll verstanden.

Dabei wird das Myoglobin gerne als das „Wasserstoffatom des Biophysikers“ bezeichnet.

Was äußerlich einfach aussieht, ist sehr komplex. Die Forschung geht heute in zwei Richtungen: Man untersucht Hunderte oder Tausende von Proteinen oder aber man schaut sich – wie wir – nur ganz wenige an, untersucht sie jedoch vollständig. Wir versuchen, Konzepte und Gesetze zu finden, die auch für die anderen Proteine wichtig sind. Es gibt einige 100000 verschiedene Proteine in einem lebenden System. Wenn man für jedes einzelne 30 Jahre braucht, wird man nie fertig werden.

Schon in einer einzelnen Bakterienzelle agieren mehrere 1000 verschiedene Molekülsorten miteinander. Was verrät die Bestimmung physikalischer Eigenschaften einzelner Moleküle über große Ensembles von Molekülen?

Dazu braucht man ein Verständnis der Netzwerke. Zum Beispiel spielt dabei ein Phänomen eine Rolle, das wir „Versklavung“ nennen: Ein Protein ist immer in Wechselwirkung mit der Umgebung. Wenn man die nicht kennt, kann man nicht wissen, wie ein Protein arbeitet.

Wie kommt man mit einer derartigen Forschung nach Los Alamos, in ein militärisches Sperrgebiet, das noch heute vor allem für sein Atomwaffenprogramm bekannt ist?

In Los Alamos wurde von Anfang an Grundlagenforschung gemacht. Ohne eine solche Forschung geht ein Institut mit der Zeit zugrunde. Es ist ein Weg, gute Leute anzuziehen.

Aber warum Biophysik an diesem Ort? Ist sie ein sicherheitsrelevantes Thema?

Zwei meiner Mitarbeiter beschäftigen sich mit Problemen des Bioterrorismus. Die Regierung interessiert sich aber auch dafür, was passiert, wenn irgendwo ein Virus eingeschleppt wird, wie man darauf reagieren soll. Da spielen mathematische, physikalische und chemische Probleme mit hinein, die man in einem ganz anderen Kontext lernt.

Große Forscherteams beschäftigen sich inzwischen damit, nach dem Genom das Proteom, das Zusammenspiel der Proteine, zu entziffern, für die die Gene ja die jeweiligen Bauanleitungen liefern. Wohin wird die Forschung in den kommenden Jahren führen?

Es ist nicht leicht, die Wechselwirkung zwischen einzelnen Proteinen zu verstehen. Aber dieses Wissen muss zusammenkommen mit dem Verständnis der Netzwerke. Man braucht dazu zum Beispiel noch mehr Computerkapazität. In den nächsten 100 Jahren haben die Forscher in der Biophysik noch viel vor sich.

Das Interview führte Thomas de Padova. Hans Frauenfelder eröffnet am morgigen Freitag um 17 Uhr im Harnack- Haus, Ihnestraße 16–20, die Einstein Lectures der FU Berlin mit einem Vortrag über „Einstein, Brownian Motion and Protein Dynamics“, eine Veranstaltungsreihe im Rahmen des „Einsteinjahres“.

Hans Frauenfelder (82) ist Professor am Los Alamos National Laboratorium in den USA. Er studierte Physik an der ETH Zürich und erforscht seit 30 Jahren die Dynamik der Proteine.

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