Dorothy Crowfoot Hodgkin (1910–1994) – Nobelpreis für Chemie 1964

„Versteht doch, ich muss wissen!“

Auf den Nobelpreis musste sie einige Jahre warten. Alfred Nobel hatte den Preis ursprünglich für besondere Leistungen des vorangehenden Jahres vorgesehen, in der Praxis vergeht jedoch häufig etwas mehr Zeit zwischen einer Entdeckung und ihrer Anerkennung.

„Versteht doch, ich muss wissen!“

Penicillinmodell | © Science Museum London/ Luke Hodgkin / Uploaded by Mrjohncummings, CC BY-SA 2.0, Wikimedia

Bereits 1956 hätte das Komitee auf Dorothy Hodgkin und ihre Arbeit über Vitamin B12 aufmerksam werden können, doch der Preis ging an zwei andere Chemiker. Im folgenden Jahr kam sie zwar in die engere Wahl, aber die Auszeichnung erhielt Sir Alexander Todd für seine Erforschung der Nukleotide und Nukleotid-Koenzyme. Hodgkin war enttäuscht – die Möglichkeit, den Nobelpreis zu bekommen, wurde bei ihr zu Hause offen in Betracht gezogen. In den folgenden Jahren war sie mindestens zweimal nominiert. 1960 schlug Lawrence Bragg sie für den Nobelpreis für Physik vor, denn er rechnete damit, dass Francis Crick, James Watson und Mau-rice Wilkins den Preis für Medizin erhalten würden. Der Chemiker Max Perutz hatte gezeigt, dass man mithilfe der Beugung von Röntgenstrahlen an Proteinkristallen deren Struktur aufklären konnte. Mit der Verleihung des Preises an ihn und John Kendrew 1962 würdigte man auch die Bedeutung der Röntgenkristallografie in der Biologie. Doch Hodgkin ging erneut leer aus. Dem mit ihr befreundeten Perutz war es peinlich, den Preis vor ihr zu bekommen, „deren Entdeckungen (. . .) meinen eigenen vorausgegangen sind“.

Das etwas chaotische Leben der Familie Hodgkin machte es 1964 gar nicht leicht, sie über die Auszeichnung zu informieren. Denn als das Telegramm der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften im Oxforder Somerville College eintraf, hielt Hodgkin sich mit ihrem Mann in Ghana auf. Thomas Hodgkin war an der dortigen Universität Direktor des neuen Institutes für afrikanische Studien. Von der Auszeichnung erfuhr Dorothy Hodgkin schließlich von jungen Reportern der „Ghana Times“, die „nicht wussten, was der Nobelpreis war“, wie sie später schrieb. Hodgkin hätte den Preis gern mit dem Physiker John Bernal, ihrem wichtigsten wissenschaftlichen Mentor, geteilt. Doch der Nobelpreis wird für Entdeckungen, nicht für die Anregung dazu verliehen. Wann immer Hodgkin später über ihre Arbeit sprach, erwähnte sie, dass Bernal zweimal in ihrer Karriere eine wesentliche Rolle gespielt hatte: Seine Fotografie des Pepsinkristalls hatte ihr 1934 erstmals vor Augen geführt, dass man mit der Röntgenkristallografie die Struktur von Proteinen aufklären könnte. Und in einem Brief einige Monate später – Hodgkin arbeitete an der Struktur des Insulinmoleküls – schlug er ihr vor, bestimmte Atome durch Isomorphe zu ersetzen und damit das sogenannte Phasenproblem bei der Kristallstrukturanalyse zu lösen.

1910 wurde Dorothy Crowfoot in Kairo geboren. Ihre Eltern – der Vater war britischer Kolonialbeamter – reisten viel, und Dorothy und ihre drei Schwestern wuchsen überwiegend bei Verwandten in England auf. Auf ihre Eltern mussten sie immer wieder für längere Zeit verzichten. Mutter Molly bestärkte Dorothys Interesse an Chemie und kaufte ihr zwei für Kinder geeignete Bücher von Sir William Bragg. Als einer der Ersten erforschte er mit seinem Sohn Lawrence die Möglichkeit, mit Röntgenstrahlen atomare Strukturen aufzuklären. Die junge Dorothy war davon fasziniert. Ihre Eltern waren liberal eingestellt, doch ihre Enttäuschung, keinen Sohn zu haben, war kein Geheimnis. Gemindert wurde diese Enttäuschung durch Dorothys herausragende Eignung für eine wissenschaftliche Laufbahn. „Es war Teil des Plans meines Vaters für mich, dass ich wie ein Sohn ausgebildet werden und die Oxforder Universität besuchen sollte“, erinnerte sie sich. Am Somerville College studierte sie Chemie und Physik, das vierte Jahr widmete sie der Kristallografie. Den Sommer 1931 verbrachte sie in Deutschland, um mehr Laborerfahrung zu sammeln und ihr Deutsch zu verbessern.

Inspiriert von den neuen Erkenntnissen der Quantenmechanik, beschäftigte sich Linus Pauling bereits ab Mitte der 1920er-Jahre in Kalifornien mit der Natur chemischer Bindungen. Doch es dauerte, bis diese Erkenntnisse in England ankamen. So lernte Crowfoot in ihrem Studium eine Menge über Atomgewichte, chemische Reaktionen, Druck und Temperatur und führte in ihren Praktika vorgeschriebene Synthesen und Analysen durch. Doch niemand hatte eine Ahnung, wie die dreidimensionale Struktur eines Moleküls mit seiner Funktion zusammenhängen könnte.

Nach ihrem Abschluss ging Crowfoot zu John Bernal nach Cambridge und begann mit der Forschung, der sie Jahrzehnte ihres Lebens widmen würde. In ihren eigenen Worten untersuchte sie schlicht „die Beugungseffekte, die beim Durchgang von Röntgenstrahlen durch Kristalle auftreten“. Die dazu grundlegenden Versuche stammten von den deutschen Physikern Max von Laue, Walter Friedrich und Paul Knipping. 1912 zeigten sie, dass Röntgenstrahlen sich wie Licht sehr kurzer Wellenlänge verhalten und dass Kristalle dreidimensional angeordnete Atome enthalten. Treffen Röntgenstrahlen auf einen Kristall, geht der größte Teil der Strahlung ungehindert durch ihn hindurch. Ein kleiner Teil der Strahlung wird jedoch durch den Kristall abgelenkt – die sogenannte Röntgenbeugung. Dafür ursächlich ist die Streuung der Röntgenstrahlen an den einzelnen Atomen des Kristallgitters. Auf einem Detektor, etwa einer Fotoplatte hinter dem Kristall, kann man die abgelenkte Strahlung in Form charakteristischer Muster sichtbar machen.

Der junge Physiker William Bragg legte dar, wie man in einfachen Kristallen die relative Anordnung der Atome zueinander aus den relativen Intensitäten der Beugungsspektren ermitteln kann. Daraus ergeben sich wiederum definierte Rückschlüsse auf die Verknüpfung der Atome und die chemische Struktur der untersuchten Moleküle. Nach einer von Joseph Fourier Anfang des 19. Jahrhunderts beschriebenen Methode kann man die periodischen Schwingungen innerhalb des Kristalls in eine Reihe harmonischer Terme übersetzen, welche dann in Amplitude und Phase den beobachteten Beugungsspektren entsprechen. Das „Phasenproblem“, also der Verlust der Phaseninformation einer Wellenfront bei einer Intensitätsmessung, war Anfang der 1930er-Jahre ein unüberwindbares Hindernis bei der Strukturaufklärung großer Moleküle. Perutz und Kendrew führten die Methode ein, einige Atome eines Schwermetalls so in einen Kristall einzusetzen, dass sie die Konformation des Moleküls nicht veränderten. Da diese Schwermetallatome über deutlich mehr Elektronen verfügen als die Atome eines Proteinmoleküls, beugen sie Röntgenstrahlen stärker, und die Flecken des Beugungsspektrums nehmen zu. Letztlich lässt sich daraus ihr Phasenbeitrag zum gebeugten Röntgenstrahl berechnen.

Crowfoot verbrachte lehrreiche und erfüllte Jahre in Cambridge und wollte dort nicht wieder weg. Doch weil sich ihr keine Perspektive auf eine längerfristige, bezahlte Tätigkeit bot, kehrte sie 1934 zurück nach Oxford, wo sie eine feste Anstellung inklusive Lehrverpflichtung erhielt. Im gleichen Jahr begann sie mit der Analyse des Insulinmoleküls, die 35 Jahre dauern sollte. Drei Jahre später lud William Bragg, inzwischen Großvater der Röntgenkristallografie, sie ein, einen leistungsfähigeren Röntgenapparat in der Londoner Royal Institution zu benutzen. Sie verbrachte eine Woche bei der Sozialreformerin Margery Fry, die noch weitere Gäste beherbergte. Einer von ihnen war der marxistische Afrikahistoriker Thomas L. Hodgkin. Etliche Mitglieder seiner Familie leisteten Außerordentliches in Medizin und Recht – ein Großonkel seines Vaters beschrieb als erster das Hodgkin-Lymphom, einen bösartigen Tumor des lymphatischen Systems. Im gleichen Jahr heirateten die beiden. Dorothy war besorgt, dass ihre dauernde Arbeit mit Röntgenstrahlen zu Sterilität oder Kindern mit Fehlbildungen führen könnte. Doch sie beruhigte sich damit, dass ihre Kollegin Kathleen Lonsdale mehr Kontakt mit Röntgenstrahlen hatte als sie und einige gesunde Kinder zur Welt gebracht hatte. Thomas hatte eine Anstellung in der Grafschaft Cumbria im Nordwesten Englands, Dorothy arbeitete weiter in Oxford. Zwischen ihnen lagen etwa 250 Kilometer. Sie überlegte, ihre Arbeit aufzugeben und zu ihm zu ziehen, um mit ihm eine Familie zu gründen, doch sie entschied sich dagegen. Auch er versuchte, eine Stelle in Oxford zu bekommen. Im Laufe der Jahre wurden drei Töchter geboren. Nach der Geburt des ersten Kindes erkrankte Dorothy an Gelenkrheumatismus, aber das hielt sie nicht davon ab, weiter zu forschen und zu lehren.

Ein Meilenstein in der Kristallografie war die Aufklärung des Cholesterinmoleküls 1941. Damit gelang Hodgkin ihre erste vollständige Analyse, und zum ersten Mal lag ein wichtiges biochemisches Molekül in seiner dreidimensionalen Struktur vor.

1928 entdeckte der schottische Bakteriologe Alexander Fleming, dass Schimmelpilze der Gattung Penicillium das Wachstum von Bakterien hemmen. Während des Zweiten Weltkriegs erkannte man bald den enormen Nutzen eines solchen Medikaments, denn verwundete Soldaten starben eher an Infektionen als durch feindliche Kugeln. Doch eine Synthese des neuen Medikaments war nur möglich, wenn man seine chemische Struktur kannte. 1944 hatte Hodgkin die Struktur des Penicillins aufgeklärt. Etwaige Zweifel, dass Röntgenstrahlen das Molekül verändern könnten, waren ausgeräumt. Bei einer Veranstaltung der Royal Society zum 50. Geburtstag der Entdeckung der Röntgenstrahlen wollte sie ihre Ergebnisse vorstellen, doch wegen des Krieges durfte sie aus Sicherheitsgründen darüber nicht sprechen. Später zeigte sich, dass der von ihr beschriebene Beta-Lactam-Ring für die antibakterielle Wirkung des Penicillins entscheidend ist.

Vitamin B12 wurde in der Leber entdeckt und 1948 erstmals isoliert. Es hilft Patienten mit perniziöser Anämie, bei denen neben anderem das Wachstum der Erythrozyten gestört ist. Tatsächlich gibt es in der Leber mehrere aktive Substanzen von der Art des Vitamin B12. Hodgkin fand, dass ihnen ein kobalthaltiger Kern gemeinsam ist, das Cobalamin. 1956 legte sie die vollständige Strukturanalyse vor. Linus Pauling gratulierte begeistert: „Ich kann kaum glauben, (. . .) dass man mit der Kristallografie die Struktur derart komplexer Moleküle aufklären kann.“

Mithilfe des Computers ließen sich kristallografische Berechnungen dann ungleich schneller durchführen als zuvor. Damit eröffnete sich die Möglichkeit, auch die Struktur größerer Moleküle zu bestimmen.

Hodgkin erhielt für ihre Arbeit zahlreiche Auszeichnungen. 1947 wurde sie in die Royal Society aufgenommen, was laut Bernal „schwerer ist, als den Nobelpreis zu bekommen“. Sie engagierte sich gegen Kernwaffen und für den Frieden und nahm fünfmal an der Tagung der Nobelpreisträger in Lindau am Bodensee teil.

 

Literatur

1.     Crowfoot-Hodgkin D: Die Röntgen-Strukturanalyse einiger biochemisch interessanter Moleküle. Köln: Westdeutscher Verlag 1966.
2.     Ferry G: Dorothy Hodgkin: A Life. London: Granta Books 1998.

 


Entnommen aus MTA Dialog 6/2019