Die Click-Chemie hat eine Vielzahl von komplizierten und oft teuren Prozessen einfacher gemacht. Das Verfahren ist vielfältig anwendbar und kann auch dafür benutzt werden, biologische Prozesse im Inneren von Zellen nachzuvollziehen. Insbesondere bei der Entwicklung und Produktion von Medikamenten hat die Click-Chemie zu vielen Fortschritten geführt.
Was haben Carolyn Bertozzi, Morten Meldal und Barry Sharpless erforscht?
Den Ausdruck Click-Chemie prägte Barry Sharpless rund um das Jahr 2000, um ein Konzept zu beschreiben, das ihm keine Ruhe ließ. Er hatte lange darüber nachgedacht, was die Produktion zum Beispiel von Medikamenten so langsam und teuer machte. Je komplizierter ein Molekül, desto mehr Schritte sind nötig, um es zu bauen. Dabei entstehen oft ungewünschte Nebenprodukte, die entfernt werden müssen.
Seine Idee, um das Problem ganz grundsätzlich zu lösen: Eine Art Modellbaukasten von kleineren, einfacheren Molekülen, die sich durch Schlüssel-Schloss-Verbindungen einfach und eindeutig verbinden ließen. Eben mit einem Klick.
Auf diese Weise ließen sich zwar keine exakten Kopien von natürlichen Molekülen herstellen, aber Moleküle die ähnlich genug waren, um die gleich Funktion zu erfüllen. Das Konzept war gut, aber zu dem Zeitpunkt tatsächlich nur ein Konzept. Eine praktische Methode, wie der Klick funktionieren könnte, gab es noch nicht.
Wie so oft in der Forschung kam der Zufall zu Hilfe: Bei einem Routine-Experiment entdeckte Morten Meldal, dass Kupfer als Katalysator benutzt werden konnte, um einen stabilen Ringschluss zwischen zwei chemischen Gruppen, Alkinen und Aziden, herbeizuführen. Eine schnelle und spezifische Reaktion, die stabile Bindungen quasi ohne Nebenprodukte erzeugt.
Zeitgleich, aber unabhängig von Meldal, beschrieb Barry Sharpless die gleiche Reaktion. Die „Kupfer-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition“, so stellte er fest, war das Werkzeug, mit dem die bis dahin fehlenden Verschlüsse für das von ihm vorgeschlagene Molekül-Baukasten-Konzept erzeugt werden konnten. Es hatte Klick gemacht.
Kupfer ist allerdings ein Stoff, der für lebende Zellen giftig ist. Carolyn Bertozzi entwickelte eine kupferfreie Methode, mit der Click-Chemie auch in lebenden Organismen benutzt werden kann: Bioorthogonale Chemie.
Den Schlüssel dafür lieferten wiederum Azide, die sich bei dieser Reaktion mit Glykan-Strukturen, also Zuckerketten auf der Oberfläche von Zellen binden. Dadurch können Zellen zum Beispiel mit Farbstoffen markiert und sichtbar gemacht werden, ohne, dass die Zelle selber Schaden nimmt.
Die Anwendungsmöglichkeiten gehen noch weit darüber hinaus. So könnte die biologische Variante der Click-Chemie etwa auch bei der Bekämpfung von Krebs eine Rolle spielen: Einige Glykan-Strukturen dienen Krebszellen als Tarnung vor dem Immunsystem. Derzeit wird getestet, ob durch die Verbindung mit entsprechenden Medikamenten die Tarnelemente abgebaut werden könnten. Dann könnte das Immunsystem die Krebszellen attackieren.
Wer sind Carolyn Bertozzi, Morten Meldal und Barry Sharpless?
Karl Barry Sharpless wird am 10. Dezember schon das zweite Mal vor dem schwedischen König stehen um den Chemie-Nobelpreis entgegenzunehmen. Er wurde bereits im Jahr 2001 für seine Arbeiten über stereoselektive Oxidationsreaktionen ausgezeichnet.
Der 1941 in Philadelphia geborene Chemiker war als Junge ein leidenschaftlicher Angler und hatte nicht geplant Wissenschaftler zu werden. Das Glück meiner Jugend war, das andere gute Entscheidungen für mich trafen, erinnerte er sich anlässlich der Verleihung seines ersten Nobelpreises.
Auch als Doktorand blieb Angeln eine große Leidenschaft. Dass er auch seine Leidenschaft für die Forschung entdeckte, schreibt der doppelte Nobelpreisträger seinem damaligen Betreuer zu. Geangelt hat er schon lange nicht mehr, aber Professor ist der inzwischen 81. Jährige immer noch.
Morten Peter Meldal studierte Chemie-Ingenieurwesen an der technischen Universität Dänemarks, wo er auch seine Doktorarbeit schrieb.
Die Nachricht über den Nobelpreis war für ihn eine absolute Überraschung. Sein Beitrag zur Click-Chemie sei eine glückliche Fügung, sagte der Preisträger im offiziellen Telefoninterview nach der Verkündung. Es gäbe viel aufregende Forschung, die keine Beachtung finde und dann gäbe es Zufälle, die eine Karriere bestimmen würden und alles einfacher machten. So sei es bei ihm gewesen.
Carolyn Ruth Bertozzi wurde 1966 in Massachusetts in eine Wissenschaftler-Familie geboren. Ihr Vater war Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology, MIT. Sie und ihre Schwestern trugen MIT-T-Shirts und wollten, wenn sie groß sind, Kern-Physikerinnen werden.
Carolyn Bertozzi entschied sich beim Studium dann doch erst für Biologie und wechselte später zur organischen Chemie. In ihrer Doktorarbeit an der University of California in Berkeley begann sie auf der Grenze zwischen den Disziplinen zu arbeiten. Sie benutzte chemische Methoden, um biologische Prozesse zu verstehen.
Derzeit ist sie Professorin an der University Stanford. Neben ihrer akademischen Tätigkeit gründete sie verschiedene Start-up Unternehmen.
Für ihre Arbeit hat sie zahlreiche Auszeichnungen erhalten, auf den Nobel-Preis vorbereitet hat sie da anscheinend nicht. "Ich bin absolut überwältigt, ich sitze hier und kann kaum atmen", sagte die Chemikerin wenige Minuten nach der Preis-Bekanntgabe Reportern am Telefon.
Wer waren die Preisträger 2021?
Im vergangenen Jahr ging der Chemie-Nobelpreis an Benjamin List und David MacMillan für die Entwicklung eines Werkzeugs für den Aufbau von Molekülen mit spezifischer Händigkeit, die asymmetrische Organokatalyse. Die beiden hätten damit ein geniales Werkzeug für die Synthese, den Aufbau von Molekülen entwickelt, begründete das Komitee seine Entscheidung. Organokatalyse wird zur Erforschung von Arzneimitteln verwendet und hat dazu beigetragen, Chemie umweltfreundlicher zu machen.
Für Benjamin List war es bereits die zweite Nobelpreisverleihung bei der er dabei sein durfte. Das erste Mal saß er allerdings im Publikum: 1995 hatte seine Tante Christiane Nüsslein-Volhard den Nobelpreis in Medizin/Physiologie verliehen bekommen. Sie hatte den damaligen Doktoranden nach Stockholm mitgenommen.
Dass Nobelpreise in der Familie laufen, ist übrigens keine Seltenheit. Mit dem aktuellen Laureaten für Medizin/Physiologie Svante Pääbo haben acht Nobelpreisträger Väter, denen die Ehrung ebenfalls zuerkannt wurde. Die einzige Frau mit noblen Eltern ist bisher Irene Joliot-Curie.
Die Nobelwoche im Überblick
Der Nobelpreis gilt international als eine der wichtigsten wissenschaftlichen Auszeichnungen. Zum Auftakt der Nobel-Woche wurde am Montag der diesjährige Preisträger in der Kategorie Medizin/Physiologie bekannt gegeben. Ausgezeichnet wurde der in Deutschland forschende Schwede Svante Pääbo für seine Pionierleistung auf dem Gebiet der Paläogenetik.
Der Nobelpreis für Physik, dessen Gewinner am Dienstag bekannt gegeben wurden, geht in diesem Jahr an die Quantenphysiker Alain Aspect, John F. Clauser und Anton Zeilinger. Die drei werden für ihre Experimente zur Erforschung verschränkter Quantenzustände, der so genannten spukhaften Fernwirkung geehrt.
Am Donnerstag wird der Preis für Literatur vergeben. Am Freitag folgt der Friedensnobelpreis und am Montag die Auszeichnung für Wirtschaftswissenschaften.
Unter den bisher 975 ausgezeichneten Forschenden sind nur 58 Frauen. Laut dem Generalsekretär der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften Göran Hansson, sei das ein Zeichen für Ungleichbehandlung in der Gesellschaft, die sich ändern müsse. Bei den Nobelpreisen solle es aber um wichtige Entdeckungen gehen und nicht um Geschlecht oder Ethnie. Eine „Frauenquote“ wird es deshalb auch in Zukunft nicht geben.
