Was Nobelpreisträger bewegt

Vier deutsche Ausnahmewissenschaftler wagen den Blick nach vorn.

Jan Greune - Gerd Binnig

Gerd Binnig: Das Beste aus beiden Welten

In seinem Büro stapeln sich die Kartons: Gerd Binnigs Firma Definiens zieht innerhalb Münchens um. Das passt zu einem Forscher, der in Bewegung bleibt: Für die bahnbrechende Erfindung des Rastertunnelmikroskops erhielt Binnig 1986 den Physik-Nobelpreis; heute nutzt Definiens modernste Software zur Bildauswertung.

„Schon heute wenden wir unsere Methode der softwaregestützten Bildauswertung erfolgreich in der biologischen und der medizinischen Forschung an. Unsere Technik orientiert sich dabei weniger an ab­strakten Algorithmen als an der Art, wie wir Menschen Bilder betrachten und verstehen. Dass ein Computer einen Gewebeschnitt analysieren kann, galt zum Beispiel vor ein paar Jahren noch als undenkbar. Mit unserer Methode geht es, und das zeigt das enorme Potenzial der Bildauswertung. Wir müssen in Zukunft noch stärker das Beste aus beiden Welten zusammenbringen: die Schnelligkeit und Präzision der Maschine mit der Stärke des Menschen, Zusammenhänge zu erkennen, mit seiner Fähigkeit, Bilder zu verstehen. Die Software der Zukunft wird wesentlich vom Wissen einzelner Fachrichtungen geprägt sein. Ein Mediziner in der Forschung kann in bestimmten Fällen besser programmieren als ein Informatiker: weil er näher an der eigentlichen Herausforderung ist. Die Software wird sich weiter von technischen Anforderungen entfernen und in gewisser Weise menschlicher werden.“

Das von Binnig und dem Schweizer Heinrich Rohrer entwickelte Rastertunnelmikroskop ermöglichte Einblicke in die Welt der Nanostrukturen. Die Zukunftschancen erscheinen heute enorm: „Mit der Nanotechnologie wird eine Tür in eine neue Welt aufgestoßen. Meiner Meinung nach befinden wir uns inmitten einer zweiten Genesis. In der ersten Genesis entwickelten sich aus Atomen Molekülstrukturen und schließlich vielfältige Lebewesen. Heute haben wir die Chance, aus kleinsten Nanobausteinen enorm komplexe Strukturen zu entwickeln. Vor uns liegt ein weiter Weg. Aber gerade die Nanomedizin könnte in Zukunft eine große Rolle spielen. Nehmen Sie das Beispiel Krebs: Schon um die Krankheit überhaupt verstehen zu können, müssen wir in Zukunft noch weiter in die Nano­strukturen vordringen – und auf dieser Ebene könnten auch neue Therapieansätze wirken.“

Komplexität bewältigen und nutzbar machen – diese Herausforderung verknüpft Gerd Binnig auch mit der Vision eines leistungsfähigen Nanocomputers: „Um ihn bauen zu können, müssen wir die Struk­turen der Nanowelt noch viel besser verstehen. Leistungsfähige Nanocomputer könnten einmal bei so unterschiedlichen, komplexen Herausforderungen wie Weltwirtschaftskrisen oder der Behandlung von Tumoren helfen. Solche Computer könnten unzählige Spezialaufgaben auf verschiedene Rechnerelemente verteilen. Sie müssen sich das wie ein Netzwerk von Spezialrechnern vorstellen, die auf engstem Raum kooperativ zusammenwirken. Ideal wäre, wenn es dabei gelänge – so wie bei dem Vorbild Gehirn –, das auf dreidimensionale Weise mit einem außerordentlich hohen Vernetzungsgrad herstellen zu können. Dann könnte ein Rechner entwickelt werden, der alles bisher Dagewesene in den Schatten stellt.“

Hartmut Michel: Das Potenzial der Sonne

Wir treffen ihn in einer Zukunftsstadt: Science City Riedberg heißt das neue Viertel in Frankfurt am Main, in dem die Bauarbeiter Gebäude um Gebäude hochziehen. Hartmut Michel, der 1988 für seinen Anteil an der Entschlüsselung der Fotosynthese den Chemie-Nobelpreis erhielt, erforscht hier besondere Eiweiße: die Membran­proteine.

„In der Strukturaufklärung der Membranproteine liegt großes Potenzial für die Medikamentenentwicklung. Von den rund 800 Membranproteinen, die im menschlichen Körper als sogenannte G-Protein-gekoppelte Rezeptoren Signale in das Zell­innere weiterleiten, kennen wir von etwa 350 das Signalmolekül nicht. Sollte es uns gelingen, die Funktionen dieser Rezeptoren aufzuklären, können neue Medikamente und Therapien hier ansetzen. Was möglich sein kann, zeigen bereits Rezeptorblocker, die gezielt das Wachstum bestimmter Brustkrebsvarianten aufhalten. Zudem gibt es Spekulationen, dass eine nachlassende Kommunikation zwischen Zellkern und Mitochondrien eine Ursache des Alterns ist. Daher rührt die Hoffnung, dass wir in Zukunft durch Verbesserung der Koordination zwischen Zellkern und Mitochondrien degenerative Erkrankungen bekämpfen und vielleicht sogar das Altern verlangsamen können.“

Doch das Vordringen in die feinsten zellulären Prozesse erfordern methodische Raffinesse und ausgeklügelte Hightech. Hartmut Michel skizziert Perspektiven: „Ich erwarte recht viel von der Sequenzierung der Genome von Tumoren. Durch Vergleich mit gesundem Gewebe können die Schlüsselmutationen entdeckt und im Tumor aktivierte Proteine gezielt blockiert werden. Bei der Strukturaufklärung der Membranproteine haben wir indes mit zwei Herausforderungen zu kämpfen. Ausreichende Mengen können wir bisher nur von den wenigsten Membranproteinen gewinnen. Zudem müssen diese Proteine auch stabil genug sein, damit wir sie aufwändig kristallisieren können. Das könnte vielleicht durch den Einsatz von Freien-Elektronen-Lasern mit extrem intensiven Röntgenstrahlen wegfallen. Einer dieser besonders leistungsfähigen Laser arbeitet bereits im amerikanischen Stanford, und auch in Hamburg wird demnächst ein solcher zum Einsatz kommen. Das Beschießen einzelner Moleküle mit solch intensiven Röntgenstrahlen erlaubt die Aufnahme von Beugungsmustern, könnte damit die Strukturaufklärung ohne vorige Kristallisation erlauben und damit rasant beschleunigen.“

Bereits entschlüsselt ist der lebensspendende Prozess der Fotosynthese. Auch dank Hartmut Michel, der sich allerdings auch hier Innovationen vorstellen kann: „Die Effizienz der Fotosynthese ist sehr gering: Weniger als ein Prozent der Energie des Sonnenlichts wird in Form von ­Biomasse gespeichert. Die Fotosynthesekapazität ist bereits bei 20 Prozent der vollen Energie des Sonnenlichts gesättigt, 80 Prozent können damit nicht mehr genutzt werden. Sollte es Wissenschaftlern gelingen, etwa die Lichtsammelapparate der Fotosynthese zu verkleinern, so könnte diese Manipulation die Erträge in der Landwirtschaft wesentlich steigern. Für die Erzeugung erneuerbarer Energie ist die Frage der Speicherung entscheidend. Hier sehe ich große Chancen für neuartige Batterien, etwa auf Zinn-Lithium-Schwefel-Basis, welche die Speicherkapazität der bisher gebräuchlichen Lithiumbatterien um ein Vielfaches übertreffen.“

Theodor W. Hänsch: Das Wanken des Weltbilds

Man sieht ihm die Lust an Entdeckungen an. Er schmunzelt beim Gedanken an ein wankendes physikalisches Weltbild. Ebenso, wenn er sich das Potenzial der Präzisionsspektroskopie ausmalt. Für die grundlegende Weiterentwicklung dieser Messtechnik, vor allem durch die Erfindung des Frequenzkamms, wurde Theodor Hänsch 2005 mit dem Physik-Nobelpreis geehrt.

„Wir entwickeln immer genauer arbeitende Messwerkzeuge. Basierend auf der Frequenzkammtechnik, nutzen wir in optischen Uhren die Frequenzen des Lichts als hochpräzise Taktgeber. Und diese Messinstrumente werden beständig praktikabler. Um die Frequenz von Licht messen zu können, benötigte man vor zehn Jahren noch ein ganzes Gebäude. Heute genügt eine Apparatur auf einem Schreibtisch. Vielleicht können wir in Zukunft solche Licht-Uhren im Format einer Streichholzschachtel nutzen. Dass die Messgeräte immer kleiner und robuster werden, eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten. Etwa im Weltraum, wo die Frequenzkammtechnik wahrscheinlich schon bald für Satellitennavigationssysteme eingesetzt wird. Grundsätzlich erhoffen wir uns von der stetigen Weiterentwicklung möglichst genauer Uhren überall dort einen gesteigerten Nutzen, wo sie schon heute wichtig sind. So kann nicht nur die Satellitennavigation noch präziser werden. Es ist auch denkbar, dass sich Mobilfunknetze durch präzisere Uhren besser synchronisieren lassen und die Mobiltelefonie dadurch noch leistungsfähiger wird. Auch in der astronomischen Forschung werden Frequenzkämme genutzt, da sie die Spektrallinien, also das Licht ferner Planeten, messen können. Die Europäische Südsternwarte im chilenischen La Silla will von 2013 an einen Frequenzkamm einsetzen, um damit möglicherweise erdähnliche Planeten aufspüren zu können.“

Für Theodor Hänsch ist aber nicht nur der Weltraum in der Lage, uns zu überraschen. Das gesamte physikalische Weltbild könnte sich verändern: „Es kann sein, dass wir uns heute in einer ähnlichen Phase befinden wie die Physiker am Ende des 19. Jahrhunderts. Auch damals dachten viele, dass alles Wesentliche bekannt sei, und vertrauten etwa auf den damaligen Kenntnisstand der Mechanik und Elektrodynamik. Doch es gab bereits erste Anzeichen für revolutionäre Veränderungen. Dann kam die Einsteinsche Relativitätstheorie, die unser Verständnis von Raum und Zeit grundlegend verändert hat. Und die Quantenphysik brachte völlig neue Spielregeln hervor. Auch heute gibt es Anzeichen, dass sich unser Weltbild wesentlich verändern könnte. Phänomene wie Dunkle Energie oder Dunkle Materie fügen sich nicht nahtlos in dieses Weltbild ein. Theoretiker grübeln darüber, wie wir Gravitation und Quantenphysik zusammenbringen können. Ich versuche dagegen, als Experimentator mit immer genaueren Messmethoden Unstimmigkeiten mit dem herrschenden Modell aufzuspüren. So könnten diese Messmethoden auch belegen, dass die heute bekannten Naturkonstanten tatsächlich gar nicht so konstant sind.“

Erwin Neher: Der Schlüssel zu Erkenntnissen

Ein paar Kreidestriche genügen Erwin Neher, um seinem Gast die Geheimnisse der menschlichen Körperzelle näherzubringen. Einfach, aber genial – so wird auch immer wieder die von Neher und Bert Sakmann entwickelte Patch-Clamp-Technik bezeichnet, die die Funktion von Ionenka-nälen in Zellen aufklärte und den beiden Forschern 1991 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin einbrachte.

„Meine Abteilung am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie beschäftigt sich aktuell mit Neurotransmittern, den Botenstoffen, die über die Synapsen unserer Nervenzellen wirken. Dabei konzentrieren wir uns auf eine Synapse der Hörbahn. Hier liegt der Schlüssel zu wertvollen Erkenntnissen über die Verarbeitung akustischer Signale. Den Prozess des Hörens verstehen wir immer noch nicht ausreichend. Vielleicht tragen unsere Untersuchungen dazu bei, Phänomene wie die Fähigkeit zum Richtungshören aufzuklären. Da wir an einer für das Nervensystem typischen Synapse arbeiten, erhoffen wir uns hier ganz grundsätzlich ein besseres Verständnis, auch von so wichtigen Prozessen wie Lernen und Erinnern. Im Übrigen sind die meisten unheilbaren Krankheiten degenerative Erkrankungen des Nervensystems, wie zum Beispiel Alzheimer. Sie sind unheilbar, weil wir das Nervensystem nicht verstehen. Somit kann unsere Arbeit auch hier einen zukunftsträchtigen Beitrag leisten.“

Mit der Patch-Clamp-Technik gelang es Neher und Sakmann erstmalig, einen winzigen Ionenkanal zu isolieren und somit die zelluläre Kommunikation zu entschlüsseln. Bei der Suche nach immer tiefer­gehenden Einblicken sieht Neher verschiedene Chancen: „Ein besonderes Potenzial haben beispielsweise die Arbeiten meines Göttinger Kollegen Stefan Hell, der mit seiner Weiterentwicklung des Lichtmikroskops bis in den Nanometer-Bereich vorgedrungen ist. Mit der Patch-Clamp-Technik haben wir bereits vor 30 Jahren die Grundlage dafür geschaffen, feinste Signale der Zellen zu messen. Aber auch hier besteht noch Potenzial für die Zukunft. So hat die Münchner Firma Nanion ein chipbasiertes, automatisches Patch-Clamp-Verfahren entwickelt, womit in kürzester Zeit unzählige Wirkstoffe getestet werden können. Dies wird die Entwicklung neuer Medikamente wesentlich voranbringen.“

Weiteres Zukunftspotenzial besteht für Erwin Neher in der Untersuchung künstlich mutierter Ionenkanäle: „Viele Erbkrankheiten lassen sich auf mutierte Ionenkanäle zurückführen. Wir können diese Mutationen im Tiermodell ‚nachbauen‘, ihre veränderte Funktion studieren und somit wichtige Rückschlüsse auf die Entstehung von Erbkrankheiten ziehen – was zu neuen Therapieansätzen führen kann. Auf diese Art und Weise konnte bereits eine Therapie gegen frühkindlichen Diabetes entwickelt werden – und vielleicht können wir auf ähnliche Weise auch andere Krankheiten in den Griff bekommen.

Protokolle: Johannes Göbel