Molekularbiologie : Das Unsichtbare wiegen

Der Chemiker Philipp Kukura erhält den Klung-Wilhelmy-Wissenschaftspreis für die Visualisierung von Biomolekülen.

Johannes Mairing
Alle an Deck: Klung-Wilhelmy-Wissenschaftspreisträger Philipp Kukura (7. von links) mit seinem Team an der University of Oxford.
Alle an Deck: Klung-Wilhelmy-Wissenschaftspreisträger Philipp Kukura (7. von links) mit seinem Team an der University of Oxford.Foto: Peter Hudston

Einzelne Biomoleküle zu filmen, während sie ihrer Arbeit nachgehen – ein Traum von Molekularbiologen. Dass Forscher diesem Ziel immer näher kommen, ist auch Philipp Kukura, Chemieprofessor an der University of Oxford, zu verdanken. Für seine Forschung wird er am 22. November an der Freien Universität mit dem mit 60 000 Euro dotierten Klung-Wilhelmy- Wissenschaftspreis ausgezeichnet. Der in Hamburg aufgewachsene Forscher fühlt sich „sehr, sehr geehrt“.

Kukura machte eine jahrhundertealte Methode für die moderne Molekularbiologie verfügbar: Seit Robert Hooke im 17. Jahrhundert mit seinem selbstgebauten Mikroskop in Oxford zum ersten Mal Zellen sichtbar machen konnte, gehören diese Instrumente zum festen Inventar von Biologen. Doch dem klassischen Lichtmikroskop bleibt das verborgen, was heutige Bioforscher interessiert: die molekulare Maschinerie der Zelle. Dafür sind Biomoleküle, etwa Proteine oder das Erbgutmolekül DNA, viel zu klein. Zwar gibt es andere Geräte, Elektronen- oder Kraftmikroskope, die einzelne Moleküle sichtbar machen. Doch sie erfordern entweder sehr kalte Temperaturen und ein Vakuum, oder sie bombardieren die Moleküle mit schädlicher Strahlung. Wie sich die Moleküle in ihrer natürlichen Umgebung verhalten, lässt sich so nur bedingt beobachten. Lichtmikroskope können einzelne Biomoleküle durch die Markierung mit leuchtenden Farbstoffen lokalisieren und in Folge vieler Durchbrüche während der vergangenen 20 Jahre auch mit molekularer Auflösung abbilden.

Ein Nachteil dieser Methoden ist, dass man die Moleküle „etikettieren“ muss, um sie erkennbar zu machen. Forscher suchten also nach Verfahren, um mit Lichtmikroskopen unmarkierte Biomoleküle beobachten zu können. Philipp Kukura und sein Team haben ein mächtiges Werkzeug geliefert. Der heute 40-jährige Wissenschaftler musste dafür tief in die Physik von Mikroskopen einsteigen. Am Ende stand die Entwicklung einer ganz neuen, unerwarteten Anwendung der Lichtmikroskopie.

Die winzige Lichtabsorption einzelner Moleküle aufgedeckt

Während seiner ganzen Forscherkarriere versuchte Kukura, Ungesehenes sichtbar zu machen. Zwar sei er nach seinem Chemie-Studium in Oxford „nicht wild entschlossen gewesen, eine wissenschaftliche Karriere zu machen“. Dennoch kam es so. Eine Zufallsbegegnung auf dem Campus der University of California in Berkeley mit einem Mitarbeiter der Arbeitsgruppe, in der er später promovieren sollte, stellte die Weichen. Sie führte ihn zu einem Fachgebiet, das seinen Neigungen für die Mathematik und das Experimentieren entsprach: die sogenannte Raman-Spektroskopie bei extrem hoher Zeitauflösung.

Der Preis

Mit dem Klung-Wilhelmy-Wissenschaftspreis werden Spitzenforscher im Rahmen einer Kooperation zwischen der Otto-Klung- Stiftung an der Freien Universität und der Dr.-Wilhelmy-Stiftung ausgezeichnet. Die Ehrung wird im jährlichen Wechsel an Physiker und Chemiker vergeben. Die Auswahl der Preisträger erfolgt durch ständige Kommissionen am Institut für Chemie und Biochemie sowie am Fachbereich Physik der Freien Universität, ergänzt um Professoren anderer Hochschulen. Fünf der bisherigen Preisträger haben inzwischen den Nobelpreis erhalten – die Physiker Theodor W. Hänsch, Gerd K. Binnig, Horst L. Störmer und Johann Georg Bednorz sowie der Chemiker Hartmut Michel. Weitere wurden mit anderen bedeutenden nationalen und internationalen Auszeichnungen geehrt. Mehr zum Preis und zur Verleihung am 22. November 2018 an der Freien Universität Berlin: www.klung-wilhelmy-wissenschafts-preis.de

(PK)

Dabei tastet man die Bewegung von Atomen in Molekülen mithilfe von Laserpulsen ab, die nur wenige hundert Femtosekunden dauern. Eine Femtosekunde ist der Millionste Teil einer Milliardstel Sekunde, eine Zeit, in der das Licht weniger als einen Tausendstel Millimeter zurücklegt. Ähnlich wie mit einem Stroboskop lassen sich auf diese Weise extrem schnelle Vorgänge filmen. In seiner Doktorarbeit hielt Philipp Kukura so das Netzhautpigment „Rhodopsin“ optisch fest und konnte zeigen, wie es bei der Absorption eines Photons seine Form verändert: der erste Schritt beim Sehen.

„Danach wollte ich mich umorientieren“, sagt Philipp Kukura. Damals, vor etwas mehr als zehn Jahren, wuchs das Interesse, die Lichtmikroskopie immer weiter in den Nanokosmos vordringen zu lassen, also in die Größenordnung von wenigen Millionstel Millimetern, die Größe von Biomolekülen. Physikerinnen und Physiker versuchten, die schwache Wechselwirkung von Licht mit derart kleinen Teilchen zu verstärken, um sie abzubilden. Die richtige Herausforderung für Philipp Kukura. „Ich wollte wissen, wo die Grenze liegt“, erzählt er. Wieder half ihm das Gespräch mit Forschern vor Ort, um den geeigneten Arbeitsplatz zu finden. Der Wissenschaftler flog nach Zürich, um an der dortigen ETH die Forschergruppe um den Physiker Vahid Sandoghdar zu besuchen. Dort habe er sich sofort gut aufgehoben gefühlt, sagt er.

Sein Züricher Chef ließ ihn mit einem Mikroskopaufbau experimentieren. „Ich baute es immer wieder auseinander und neu zusammen“, sagt er. Schließlich gelang es Kukura mit neuer Detektionstechnik, das sogenannte Rauschen des Laserlichtes aus dem Signal zu filtern. So konnte er die winzige Lichtabsorption einzelner Moleküle aufdecken. „Das war ein großer Schritt“, sagt der Chemiker, „denn man dachte bis dahin, einzelne Moleküle bei Raumtemperatur nur mit Fluoreszenzmarkierungen sehen zu können.“

Biomolekülen Schritt für Schritt verfolgen

Nachdem er die nötigen Methoden entwickelt hatte, wollte Philipp Kukura sie auf die Molekularbiologie anwenden, seine eigentliche Passion. Dazu wechselte er 2010 nach Oxford und gründete eine Arbeitsgruppe. Seinem Team gelang es, durch die effiziente Unterdrückung des Hintergrundlichtes die Lichtstreuung einzelner Biomoleküle sichtbar zu machen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler optimierten die Methode immer weiter. Dabei entdeckten sie, dass die von den Molekülen gestreute Lichtintensität mit hoher Genauigkeit im gleichen Verhältnis wuchs wie deren Masse. „Somit haben wir 100 Jahre nach Erfindung des Massenspektrometers eine ganz neue Methode zum Wiegen von Molekülen entdeckt“, sagt Philipp Kukura nicht ohne Stolz. Der Chemiker hebt die Universalität des Verfahrens hervor: „Schließlich haben alle Biomoleküle eine Masse“, erklärt er. Im Gegensatz zum Fluoreszenzmikroskop, über das nur markierte Teilchen sichtbar sind, erkennt die neue Molekülwaage alle Biomoleküle. Eine Analogie verdeutlicht dies: Nachts sieht man nur Autos, deren Scheinwerfer angeschaltet sind. Alle anderen, geparkte Wagen etwa, bleiben unsichtbar. Durch das neue Verfahren hingegen würden im Dunkeln alle Autos wahrgenommen, auch die geparkten. Mit der neuen Methode ließen sich sogar einzelne Moleküle wiegen, während ein Massenspektrograf beim Wiegen eines Moleküls auf den Mittelwert von vielen Molekülen angewiesen ist. „Das ist, als würde man immer 100 000 Menschen gleichzeitig betrachten“, sagt Kukura. „Weil man nur Durchschnittswerte sieht, entginge einem dabei zum Beispiel, dass es Männer und Frauen gibt.“

Die „Molekülwaage“ erlaubt es zudem, Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen Schritt für Schritt zu verfolgen, weil jede Anlagerung die Masse verändert. Das betreffe auch Wechselwirkungen von Molekülen mit Proteinen, der Basis praktisch aller pharmazeutischen Wirkstoffe, sagt Kukura. Das Oxforder Team bekommt bereits Anfragen aus der internationalen Forschergemeinde der Lebenswissenschaften und der Industrie: Alle hoffen, dass die neue Art von Mikroskopie entscheidend für viele Durchbrüche in der Biologie und der Entwicklung neuer Wirkstoffe sein wird.