Nobelpreis für Chemie 1967 und Begründer der „evolutiven Biotechnologie“

2019 starb der Bio- und Physikochemiker Manfred Eigen

Kaum ein Wissenschaftler wurde so oft geehrt wie Manfred Eigen. Den Nobelpreis für Chemie erhielt er 1967 für seine Arbeiten zu ultraschnellen chemischen Reaktionen, die damals als unmessbar galten.

2019 starb der Bio- und Physikochemiker Manfred Eigen

Manfred Eigen im Jahr 2001 | © Baumann/Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Häufig krönt der Nobelpreis ein Lebenswerk, doch Eigen bekam ihn bereits mit 40 Jahren. Er hätte sich nun weiter in das Gebiet der ultraschnellen Reaktionen vertiefen können, doch Eigen gründete in Göttingen das Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie – weil er „in Physik und Chemie nichts mehr hinzulernen konnte“, wie er sagte. Ziel des Instituts war, das Denken und die Methoden der Naturwissenschaften auf die Lebenswissenschaften zu übertragen: Nach den ultraschnellen Reaktionen wandte Eigen sich nun den langen Prozessen der Evolution zu. Dabei sah er Evolution vor allem als molekulares Phänomen: Ihm zufolge entstand das Leben aus chemischen und physikalischen Reaktionen zwischen Biomolekülen. Um grundlegende Mechanismen der Evolution zu untersuchen, entwickelte er „Evolutionsmaschinen“. Da laut Eigen „das wesentliche Problem biologischer Strukturen Komplexität heißt“, sollten diese Bioreaktoren in der Lage sein, systematisch komplexe Strukturen herzustellen. Komplex bedeutet hier, dass die Zahl möglicher Alternativen so groß ist, dass nicht jede einzeln betrachtet werden kann.

Eigen wurde 1927 in Bochum in eine Musikerfamilie geboren, der Vater war Konzertcellist und Kammermusiker. Kindheit und Jugend waren von der Musik geprägt, doch er hatte zu Hause auch ein Labor, in dem er Experimente durchführte: „Es war ein richtiges Labor, das meine Mutter überhaupt nicht schätzte, vor allem, wenn wieder etwas explodierte.“ Eigen wollte zunächst Pianist werden, doch während des Zweiten Weltkriegs konnte er jahrelang nicht üben und entschied sich deshalb für einen wissenschaftlichen Beruf. Die Göttinger Universität nahm nach dem Krieg rasch ihren Betrieb wieder auf. Eigen studierte dort Physik und Chemie, hörte Vorlesungen bei Werner Heisenberg und Wolfgang Paul. Heisenberg war bereits Nobelpreisträger, Paul erhielt die Auszeichnung 1989. Mit 24 Jahren promovierte Eigen bei Arnold Eucken, der ihn nach seiner Diplomarbeit sofort als Doktoranden übernommen hatte.

„Manfred Eigen verstand es wie kaum ein anderer, vorherrschende Denkmuster zu durchbrechen und mit Erfolg wissenschaftlich neue Richtungen einzuschlagen“, sagte Herbert Jäckle, ehemaliger Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie. „Diese Fähigkeit zeichnete ihn bereits zu den Anfängen seiner wissenschaftlichen Karriere aus und zieht sich als roter Faden durch sein gesamtes Leben.“ In Euckens „Lehrbuch der chemischen Physik“ fand Eigen den Satz: „Die Rate wahrer Neutralisationsreaktionen hat sich als unmessbar schnell erwiesen.“ Zu der Zeit konnte man Reaktionen bis zu einer tausendstel Sekunde erfassen. Damit gab Eigen sich jedoch nicht zufrieden und begann darüber nachzudenken, „wie schnell eine unmessbar schnelle Reaktion wohl sein könnte“. Geleitet von der Idee, dass es in der Chemie nichts Unmessbares, sondern lediglich ungeeignete Methoden gebe, entwickelte Eigen die „Relaxationsmethode“. Dabei wird ein Gleichgewicht zwischen Reaktanten durch plötzliche Änderung einer physikalischen Größe, etwa Temperatur, Druck oder elektrisches Feld, gestört. Dann misst man die Zeit, die das System braucht, um wieder in seinen Gleichgewichtszustand zurückzukehren, das heißt zu „relaxieren“. Dabei zeigt jede Reaktion eine für sie spezifische Geschwindigkeit. Mit dieser Methode war es jetzt möglich, Geschwindigkeiten im Bereich einer milliardstel Sekunde (Nanosekundenbereich) zu messen. 1954 stellte Eigen seine neue Methode bei der britischen „Faraday Society“ vor. Gemeinsam mit George Wreyford Norrish und George Porter erhielt er 1967 dafür den Nobelpreis für Chemie.

„Was war das Leben? Man wusste es nicht. Es war sich seiner bewusst, unzweifelhaft, sobald es Leben war, aber es wusste nicht, was es sei“, schrieb Thomas Mann 1924 in seinem Roman „Der Zauberberg“. In „Stufen zum Leben“ leitete Eigen jedes Kapitel mit einem Zitat aus Manns Roman ein. Will man das Phänomen Leben als eine Regelmäßigkeit im Verhalten der Materie ansehen, so lautete Eigen zufolge die Frage: „Was für ein physikalisches Prinzip steht hinter einer solchen Verhaltensweise, und was bewirkt es?“

In seiner Antrittsrede an der Zürcher Universität bezeichnete Erwin Schrödinger bereits 1922 den Zufall als „gemeinsame Wurzel (. . .) für die erdrückende Mehrheit der Erscheinungsabläufe“ – erst Jahre später wurde der Zufall durch die Unschärferelation der Quantenmechanik zu einer der Grundlagen der modernen Physik. Der Molekularbiologe und Nobelpreisträger Jacques Monod wies in seinem Buch „Zufall und Notwendigkeit“ (1970) dem Zufall die Hauptrolle bei der Entstehung des Lebens zu: Leben ist hier reine Schöpfung aus dem Nichts. So ist es nur existenziell zu begreifen, zwar vereinbar mit den Naturgesetzen, aber aus diesen nicht ableitbar.

Seit den 1940er-Jahren war bekannt, dass die Nukleinsäure DNA und nicht Proteine Träger der Erbinformation ist. Francis Crick und James Watson entschlüsselten 1953 die Molekularstruktur der DNA. Dabei ergibt erst die Zusammensetzung der Bausteine im DNA-Molekül eine neue und für das Leben spezifische Eigenschaft: die Speicherung von Information. Die einzelnen Bausteine besitzen diese Eigenschaft nicht. Eigen zufolge weist die DNA die Merkmale auf, die für das Leben charakteristisch sind: Gedächtnis, Reproduktionsfähigkeit sowie Fähigkeit zur Mutation und damit zur evolutiven Anpassung. Zudem hindert der Stoffwechsel der Zelle die DNA daran, in einen chemischen Gleichgewichtszustand zu geraten, der mit dem Leben nicht vereinbar ist. Im „Zauberberg“ war Thomas Mann den molekularbiologischen Erkenntnissen 30 Jahre voraus.

Lebewesen sind demnach durch einen „Bauplan“ repräsentiert. Damit wird für Eigen das „Problem der Komplexität der Lebewesen“ zu einem „Problem der Komplexität der Baupläne“. Weil in der DNA die genetische Information als lineare Abfolge von Symbolen (Nukleotiden) vorliegt, stellte sich für Eigen die Frage nach dem Informationsgehalt der DNA, und zwar nach der absoluten Menge an Information. Mithilfe von Mathematik und Informationstheorie zeigte er, dass Proteine in lebendigen Organismen auf keinen Fall dadurch entstanden sein können, dass alle Alternativen ausprobiert und die besten ausgewählt wurden. Die Anzahl der Alternativen ist selbst bei kleinsten Proteinen wesentlich größer als astronomische Größenordnungen. Optimale Funktionstüchtigkeit kann nicht durch „blindes Herumprobieren“ erzielt werden. Das Gleiche gilt für Gene in Lebewesen. Auch sie konnten Eigen zufolge nicht zufällig entstanden sein. Was folgte daraus? Für Eigen bestand der einzige wissenschaftlich gangbare Weg darin, nach einer Gesetzmäßigkeit zu suchen, die erklären konnte, wie die für Lebewesen typischen komplexen Molekülanordnungen sich in der Natur reproduzierbar bilden. Er fand sie in der molekularen Selbstorganisation. Bei der üblichen Interpretation der Darwin’schen Lehre von Mutation = Zufall und Selektion = Notwendigkeit stießen Eigen und andere auf eine Schwierigkeit: Dieses Konzept würde die Evolution dazu zwingen, einen großen Teil aller möglichen Nukleinsäuresequenzen durchzuspielen. Damit würde sie in den meisten Fällen jedoch nicht über eine lokale Optimierung hinaus gelangen.

Nun sind aber Proteine, die Übersetzungsprodukte unserer Gene, als Katalysatoren und Steuerinstrumente höchst effizient, enzymatische Katalyse beschleunigt Reaktionen auf das Millionen- bis Milliardenfache. Eigen formulierte also das Konzept der Selektion neu. Im Mittelpunkt stand nun nicht mehr der „Wildtyp“ (= Geno- und Phänotyp einer unter natürlichen Umweltbedingungen lebenden Art, die die Mehrheit ihrer Individuen kennzeichnet), der wahllos Zufallsmutanten erzeugt; Objekt der Selektion ist vielmehr die Summe aller Mutanten, die Eigen „Quasispezies“ nannte. Hier ist der Wildtyp zwar immer noch die häufigste Nukleinsäuresequenz, aber in der Gesamtmenge der Mutanten stellt sie nur einen kleinen Bruchteil.

Wie Bewegung im Informationsraum Entstehen und Vergehen von Symbolkombinationen bedeutet, bilden sich im „Sequenzraum“ Nukleinsäuresequenzen und zerfallen wieder. Auch diese Bewegung kann Eigen zufolge nicht in einem „blinden Herumspringen“ im Sequenzraum bestehen, der dafür viel zu komplex ist. Das Konzept von Quasispezies und Sequenzraum ermöglichte es Eigen, die Theorie der molekularen Selbstorganisation quantitativ zu fassen. In einem solchen System muss man sich die „Wertverteilung der Mutanten (. . .) wie eine Landschaft mit Ebenen, Hügeln und Hochgebirgen vorstellen“ (Eigen). Dabei meint Wertverteilung, dass Nukleinsäuren verschiedener Sequenz mit verschiedenen Geschwindigkeiten repliziert werden. Das hat zur Folge, dass in einer Population schnelle Replizierer stärker vertreten sind als langsame. In der Welt der Moleküle entsprechen also den Darwin’schen Begriffen Fitness und Selektion eine unterschiedliche Bewertung verschiedener Sequenzen über ihre Replikationsrate und die daraus resultierenden Folgen für die Population. Fehlerfreie Reproduktion würde dabei Stillstand bedeuten; Kopierfehler, also Mutationen, sind selten, kommen aber überall vor. In abstrakt-mathematischem Sinn verwendete Carl Friedrich Gauß den Begriff „Hyperzyklus“ bereits 1832. Eigens Hyperzyklus beschreibt dagegen im reaktionskinetischen Sinn das dynamische Prinzip einer chemischen Rückkopplung bei der Entstehung der genetischen Information. Diese Rückkopplung trifft in einem chemischen Gemenge die Festlegung auf eine Sequenz, die dann eine Quasispezies in Richtung auf optimierte Funktion begründet.

„Alles, was neu ist, muss aus der Grundlagenforschung kommen, sonst ist es nicht neu“, sagte Eigen. Er entwickelte „Evolutionsmaschinen“, mit denen er seine Theorie in der Praxis erprobte. In den 1980er-Jahren resultierte daraus ein neuer Forschungszweig – die evolutive Biotechnologie. Mit den Maschinen untersuchte man im Labor grundlegende Mechanismen der Evolution im Zeitraffer. Dazu gehören auch „Tricks“, mit denen das HI-Virus und andere Krankheitserreger das Immunsystem überlisten. Zudem lassen sich damit neue molekulare Wirkstoffe identifizieren, aus denen man Medikamente entwickeln kann.

Eigen war überzeugt, dass Wissenschaftler ihre Forschung sowohl in der wissenschaftlichen Gemeinschaft als auch in der Öffentlichkeit darstellen müssen. Er reflektierte die „Idee der Universität“ und „Perspektiven der Wissenschaft“. Gemäß Eigens Grundsatz „Es ist nicht das Forschungsgebiet, das zählt, sondern die Exzellenz der Individuen“ fördert eine nach ihm benannte Stiftung seit 2015 talentierte Nachwuchswissenschaftler. Der Musik blieb er zeitlebens treu und spielte zwei Klavierkonzerte von Wolfgang Amadeus Mozart auf CD ein. Am 6. Februar 2019 ist der herausragende Denker und Forscher Manfred Eigen im Alter von 91 Jahren gestorben.

Literatur

  1. Eigen M, Schuster P: The Hypercycle: A Principle of Natural Self-Organization. Heidelberg: Springer Verlag 1979.
  2. Eigen M: Zufall und Gesetz bei der Entstehung des Lebens. St. Gallen: Buch- und Offsetdruck Verlag 1983.
  3. Eigen M: Stufen zum Leben. München: Piper Verlag 1987.
  4. Elsner N, et al. (ed.): Evolution. Göttingen: Wallstein Verlag 2009.
  5. Nachrufe des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie, der Süddeutschen Zeitung und der Frankfurter Allgemeinen Zeitung. Online 2019.

 

Entnommen aus MTA Dialog 2/2020