Chemienobelpreis Nachlese

Die Molekülzüchterin

Von Sonja Kastilan
 - 16:35

Als Familienmenschen werden erfolgreiche Wissenschaftler in der Regel nicht bezeichnet. Schon gar nicht jene sehr seltenen Exemplare, die wie Frances H. Arnold von allen drei Nationalakademien der Vereinigten Staaten aufgenommen wurde. Arnold hält überdies etliche Patente, gründete Firmen und wurde schon mehrfach ausgezeichnet. Im Jahr 2011 beispielsweise wurde sie als erste und bislang einzige Frau mit dem Charles Stark Draper Prize für Ingenieure gewürdigt – zusammen mit Willem Stemmer – für ihre Pionierarbeit im Feld der gerichteten Evolution.

Die beiden hätten sich womöglich auch den Nobelpreis in Chemie geteilt, doch Stemmer starb 2013, und so erhält jetzt Frances Arnold – in dieser Sparte ist sie die fünfte Frau – die eine Hälfte, während sich George P. Smith und Sir Gregory P. Winter über die andere freuen können. Deren Arbeit mit speziellen Viren, um Antikörper zu gewinnen, ist für die Medizin von Bedeutung. Mit sogenannten Biokatalysatoren beschäftigt sich wiederum Arnold. Damit beeinflusst sie heute unseren Alltag auf vielfältige Weise: vom Biosprit über Medikamente bis hin zu Waschmitteln – die Entwicklungen, die auf ihrer Arbeit beruhen, entfalten weitreichende Wirkung. Arnold will mit neuen Enzymen drängende Probleme lösen und nutzt dafür geschickt die Tricks der Natur zur Anpassung an eine sich verändernde Umgebung. Der weltweit vorherrschende Wandel fordert uns allerdings auch persönlich heraus, nicht stehenzubleiben, und ihre Karriere ist dafür ein gutes Beispiel. Und auch dafür, dass wissenschaftlicher Erfolg und eine Familie kein Widerspruch sein müssen.

„Good oldfashioned hard work“

Der Anruf aus Schweden erreichte Arnold gegen vier Uhr morgens in einem Hotel in Dallas. Für sie war es mitten in der Nacht, und inzwischen haben sich Tausende auf Youtube angehört, wie sie kurz darauf mit dem Online-Redakteur Adam Smith von Nobelprize.org telefonierte und versuchte, ruhig zu erscheinen, obwohl sie völlig aufgedreht war: „I’m bouncing off the walls.“ Und genervt, dass sie ihre Söhne nicht erreichen konnte, weil die eben nicht ans Telefon gehen würden, wenn immer ihre Mutter anrufe. Die Söhne hatte sie zunächst in Verdacht, „some desaster at home“, als das Telefon sie weckte. Doch die angezeigte Nummer war ihr fremd. Tatsächlich wollte das Nobelpreiskomitee sie sprechen, und das rief auch noch ein zweites Mal an, damit sie eine Dusche nehmen und erst einmal richtig wach werden konnte. Überwältig sei sie gewesen, schilderte Arnold ihre Überraschung ein paar Stunden später auf einer Pressekonferenz zu ihren Ehren am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, nachdem sie ihren geplanten Vortrag kurzerhand verschoben hatte und von Texas nach Kalifornien zurückgeflogen war.

Weil Ingenieure immer gebraucht würden, habe ihr Vater einst geraten, diesen Weg einzuschlagen, und Frances Arnold ist von ihrem Beruf nach wie vor überzeugt, auch wenn sie einen eigenwilligen Weg verfolgte. 1956 in Pittsburgh geboren, startete sie ihr Studium in Princeton, ging von dort nach Berkeley und wechselte nicht nur von der amerikanischen Ost- an die Westküste, sondern zugleich vom Maschinenbau zur Chemie. Der Solarenergie galt einst ihr Interesse, heute sind es Proteine und die Natur ihr Vorbild.

Im Alter von 29 Jahren landete sie am Caltech, einem wahren Juwel von einer Institution, wie sie sagt, und dort hat sie jetzt den Linus-Pauling-Lehrstuhl für „Chemical Engineering, Bioengineering and Biochemistry“ inne und ist Direktorin des Rosen Bioengineering Center. Ihre Studenten und Mitarbeiter stellt Arnold in Vorträgen immer wieder heraus, lobt sie für ihre Kreativität, Furchtlosigkeit – und die harte Arbeit. Natürlich brauche es Leidenschaft, aber man sollte niemals unterschätzen, wie wichtig „good oldfashioned hard work“ sei, betonte Arnold einmal in einer ebenso kurzen wie beeindruckenden Rede vor Ingenieursstudenten am Dartmouth College: „Erfolgreiche Menschen arbeiten hart.“

Unnatürliches wird zum Leben erweckt

Sie selbst hat ihre Idee Anfang der 1990er Jahre entwickelt, als neue gentechnische Methoden gerade die Molekularbiologie revolutionierten. Es war ein biologischer Ansatz, den sie im Feld des chemischen Ingenieurwesens gegen alle Widerstände durchsetzte. Darauf aufbauend, verfeinert sie bis heute die Methoden und findet mit ihrem Team immer neue Herausforderungen. Etwa Enzyme, die Silizium mit Kohlenstoff verbinden. In der Natur wurde dergleichen noch nicht gefunden, in Arnolds Labor ließen sich jedoch Biokatalysatoren erzeugen, die das schaffen, in Mikroben. Die Maschinerie, die das Leben auf der Erde seit mehr als drei Milliarden Jahren erhält, wird in Arnolds Labor mittels gerichteter Evolution auf neue Aufgaben angesetzt. Da werden natürlich vorkommende Enzyme, die bestimmte Reaktionen meistern, entweder in ihrer Effizienz deutlich gesteigert oder für neue Reaktionen umgestaltet, an andere Temperaturen oder andere Substrate angepasst. Sei es, um Plastikmüll zu zersetzen, Schmutzwäsche bei niedrigeren Temperaturen zu waschen, Gifte zu neutralisieren oder aus Holzabfällen Treibstoff zu produzieren. Die Liste ließe sich lange fortführen.

Arnold und ihre Mitstreiter arbeiten oft mit dem Enzym Cytochrom P450, das ein Eisen-Ion wie ein Herz in seinem Zentrum trägt. Und im Laufe der Jahre sind die verschiedensten Varianten entstanden, darunter ein „P411“ genanntes, das im Reagenzglas grün statt wie üblich rot erscheint und dafür sorgen kann, dass E.coli-Bakterien höchst effizient Cyclopropane bilden. Eine Steigerung, von der Chemiker sonst oft nur träumen können, erledigt hier die Biologie für sie, beziehungsweise die Biochemie. In gewisser Weise wird im Labor Unnatürliches zum Leben erweckt, doch nicht in Form von „Wolfird“, einem Wesen, halb Wolf, halb Vogel, das dem Team als Symbol dient und auf T-Shirts prangt: Es geht vor allem um Enzyme, durch die Bakterien in Minifabriken verwandelt werden.

Noch gelingt es nicht, solche Biokatalysatoren von Grund auf am Computer zu entwerfen, dazu sind diese Proteine in Aufbau und Struktur zu komplex. „Bis alle Möglichkeiten anschließend in Experimenten analysiert wären, würde es viel zu lange dauern“, erklärt Kersten Rabe vom Karlsruher Institut für Technologie. Also gilt es meist, geeignete Enzyme in Mikroorganismen zu finden, und diese durch genetische Mutationen entsprechend zu verändern. „Durchwürfeln“ nennt das Rabe, gefolgt von einer Auslese der jeweils besten Varianten, was sich mehrfach wiederholen kann. Ein Prozess, den in der Natur die Evolution übernimmt. Die Eingriffe ins Erbgut lassen sich inzwischen auf kleinere Bereiche einschränken, doch oft zeigen Veränderungen in unerwarteten Molekülbereichen die erhoffte Wirkung. Auch deshalb zeigen dreidimensionale Computermodelle noch nicht den Erfolg, den sich auf Zeit und Kosten bedachte Firmen wünschen.

Sie macht aus der Trauer keine Show

Trotz Anspruch und Ehrgeiz gelingt es Frances Arnold jedoch, eine inspirierende Atmosphäre am Caltech zu schaffen und ihr Team zu fördern. Es herrsche ein anregender Austausch auf höchstem Niveau, erinnert sich Kersten Rabe, der nach seiner Promotion der Gruppe als Postdoc angehörte und, davon geprägt, heute in Karlsruhe ähnliche Forschungsprojekte vorantreibt. „Es wird viel gearbeitet, aber Frances Arnold fordert nicht nur, sondern gibt zurück – und richtete zu meiner Zeit zum Beispiel jedes Jahr eine Poolparty aus.“ Rabe lernte die Wissenschaftlerin auch als geschickte Managerin schätzen. Sie sei clever und präzise, zudem humorvoll; ihre Söhne spielen eine sehr wichtige Rolle in ihrem Leben.

Ihr Familiensinn ließ sich anlässlich der Pressekonferenz am Caltech beobachten, zu der die erwachsenen Söhne James und Joseph erschienen waren. William, ihr dritter, starb 2016 durch einen Unfall, was sie auch in ihrer Ansprache am Dartmouth College erwähnt. Ihr Schmerz ist dabei für jeden Zuhörer spürbar, doch sie macht aus der Trauer keine Show. Ihr tragischer Verlust rührt das Publikum, ihre Worte wirken aber nicht bedrückend. Im Gegenteil. Eher aufrüttelnd. Frances H. Arnold bleibt als Mensch authentisch, begeisterungsfähig und wird ihrer Vorbildrolle überaus gerecht. Sie ist Mutter, Hochschullehrerin, Wissenschaftlerin, Reisende, Taucherin und vieles mehr.

Wer ihr auf Twitter folgt, und täglich sind es jetzt Tausende Follower mehr, findet sogar Katzenfotos mit scherzhaften Kommentaren. Cat A und Cat B bilden etwa heterodimere Komplexe oder zeigen sich in anderer Konformation. Das verstehen wohl nur Nerds, aber auf einmal wirkt Proteinchemie ganz einfach.

Quelle: F.A.S.
Sonja Kastilan
Redakteurin im Ressort „Wissenschaft“der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.
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