In diesem Jahr gingen die renommiertesten Preise der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften für wissenschaftliche Leistungen an die Amerikaner.
Erzählungen der Antike
Weltraumrauschen
Der Nobelpreis für Physik ging dieses Jahr an Kosmologen. Er wurde von einem der astrophysikalischen Forschungsleiter der NASA, John Mather, und Professor George Smoot von der UC Berkeley „für ihre Entdeckung der Schwarzkörperform und Anisotropie der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung“verliehen.
Die Arbeit von Mather und Smoot war eine direkte Fortsetzung einer anderen Studie, die ebenfalls mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. 1964 maßen die Radioastronomen Arno Penzias und Robert Wilson das Radiorauschen unserer Galaxie. Aus theoretischen Überlegungen folgte, dass die Galaxy im Zentimeterbereich praktisch geräuschlos sein sollte. Trotzdem empfing die Antenne von Penzias und Wilson ein schwaches, aber stabiles Signal bei einer Wellenlänge von 7,35 cm, das aus allen Richtungen gleich stark kam und daher sicherlich keinen intragalaktischen Ursprung haben konnte. Durch Eliminierung aller denkbaren Rauschquellen hatten Wissenschaftler bis Anfang 1965 bewiesen, dass die spektrale Zusammensetzung des mysteriösen Signals ungefähr dem Strahlungsspektrum eines auf 3,5 K erhitzten, vollständig schwarzen Körpers entsprach. Penzias und Wilson wussten zunächst nicht, was Ihre Entdeckung könnte bedeuten, aber ihnen wurde durch ein glückliches Ereignis geholfen. Genau zu diesem Zeitpunkt zeigten die Princeton-Astrophysiker Robert Dicke und James Peebles, dass die Existenz isotroper kosmischer Strahlung mit einem Schwarzkörperspektrum aus der Theorie der heißen Geburt des Universums folgt. Es hat aus der Zeit überlebt, als die Weltraumexpansion das Wasserstoff-Helium-Weltraumplasma so stark abkühlte, dass es sich in ein neutrales Gas verwandelte. Photonen, die zuvor im Plasma "eingeschlossen" waren, konnten nicht an neutralen Atomen streuen und sich zum ersten Mal seit dem Urknall frei im Weltraum ausbreiten. Seitdem hat sich diese Strahlung um den Faktor 100 abgekühlt, hat aber ihren Schwarzkörpercharakter beh alten. Penzias diskutierte mit Wilson und Mitgliedern von Dikes Gruppe ihre Ergebnisse und veröffentlichte sie in derselben Ausgabe des Astrophysical Journal. Dies war der Beginn einer echten Revolution in der Kosmologie, die zur massiven Akzeptanz der Urknalltheorie führte. Aber auch große Revolutionen müssen vollendet werden. Die Intensität der 3-Grad-Schwarzkörperstrahlung erreicht ihr Maximum bei Wellenlängen in der Größenordnung von einem Millimeter, die von den unteren Schichten der Erdatmosphäre absorbiert werden. Penzias und Wilson registrierten nur den langwelligen Schwanz der Hintergrundstrahlung, aber für die endgültige Rekonstruktion ihres Spektrums waren Messungen bei vielen Frequenzen erforderlich. Zunächst wurden sie mit Hilfe von Instrumenten durchgeführt, die auf Hochgebirgsobservatorien und Ballons angebracht waren. In den 1970er- und 1980er-Jahren wurden solche Messungen immer wieder durchgeführt, aber das i-Tüpfelchen war noch immer nicht da. Ich musste ins All.
Das haben Mather und Smoot getan. Sie und ihre Gleichgesinnten überzeugten die NASA-Führung, Geld für den Start eines Satelliten mit Instrumenten zur detaillierten Spektralanalyse der Hintergrundstrahlung bereitzustellen. Dieses Gerät, Cosmic Background Explorer, wurde im November 1989 in den erdnahen Weltraum geschickt, wo es etwa vier Jahre lang funktionierte. Das unter der Leitung von Mather entwickelte Spektrophotometer untersuchte die Strahlungsintensität bei 34 Frequenzen im Bereich von 0,5–5 mm. Diese Messungen bewiesen schließlich die Schwarzkörperform des Spektrums und ermöglichten es, die Temperatur der Strahlung mit einer beispiellosen Genauigkeit zu bestimmen - 2,726 K. George Smoot überwachte die Entwicklung und den Betrieb eines anderen Instruments, des Differential-Mikrowellenradiometers. Mit seiner Hilfe konnte erstmals nachgewiesen werden, dass die Temperatur der Hintergrundstrahlung aus verschiedenen Teilen des Himmels mit einer Amplitude in der Größenordnung von einem Hunderttausendstel Grad schwankt. Diese Schwankungen, die sogenannte Strahlungsanisotropie, führen dazu, dass die Dichte der Materie im frühen Universum nicht über ihr gesamtes Volumen hinweg gleich war. Bereiche mit erhöhter Dichte wurden zu Zonen der Gravitationskondensation von Materie und führten schließlich zur Entstehung der ersten Galaxien. Für diese Entdeckungen erhielten Mather und Smoot ihren Nobelpreis.
Arbeiterdynastie Kornberg
Der Nobelpreis für Chemie 2006 wurde dem 59-jährigen Professor der Stanford University, Roger Kornberg, "für seine Untersuchung des Transkriptionsmechanismus - der Synthese von Boten-RNA - in den Zellen eukaryotischer Organismen" verliehen. Die DNA spielt in der Zelle die Rolle eines archivierten Trägers von Informationen über die Abfolge von Aminosäuren in Proteinen (und indirekt über deren letztlich durch die Struktur bestimmte Funktionen). Ribosomen, zelluläre Proteinfabriken, lesen Informationen von Zwischenträgern, Boten-RNAs. Eine Schlüsselrolle im Prozess der Transkription – der Übersetzung des genetischen Codes von der Sprache der DNA in die Sprache der RNA – spielt das Enzym DNA-abhängige RNA-Polymerase. Sein Molekül erkennt den Promotor – ein Abschnitt am Anfang des Gens, der in kurzen Nukleotidsequenzen die Kommandos „Start“, „Aufmerksamkeit“und „Marsch“enthält, wickelt die DNA-Doppelhelix ab und bewegt sich entlang eines ihrer Stränge. „Hinter“der RNA-Polymerase verbinden sich die Stränge der Doppelhelix wieder, und während sie sich entlang der DNA bewegt, synthetisiert sie ein RNA-Molekül mit einer Basensequenz, die komplementär zur Nukleotidsequenz auf dem Matrizenstrang ist.(Für alle Fälle erinnern wir uns daran, dass sich RNA von DNA darin unterscheidet, dass ihre Nukleotide Ribose und nicht Desoxyribose enth alten, eine der vier stickstoffh altigen Basen - Thymin - in RNA durch Uracil ersetzt wird und RNA-Moleküle aus einem Strang bestehen, der sich manchmal f altet in „Haarnadeln“und komplexe dreidimensionale Strukturen aufgrund der Verbindung komplementärer Regionen.) Die Transkription stoppt, wenn die RNA-Polymerase den Terminator erreicht – die Nukleotidsequenz, die den „Stop“-Befehl codiert. Die Struktur und der Wirkungsmechanismus der RNA-Polymerase sowie anderer am Transkriptionsprozess beteiligter Proteine waren bereits vor Kornberg bekannt. Besser untersucht sind die RNA-Polymerasen von Prokaryoten, die keinen Zellkern von Bakterien und Blaualgen besitzen. Bei Eukaryoten (Organismen mit linearen und nicht kreisförmigen, wie Bakterien, Chromosomen, die sich im vom Zytoplasma der Zelle getrennten Kern befinden) ist der Transkriptionsprozess komplizierter - ausgehend von der Tatsache, dass es in eukaryotischen Zellen kein universelles gibt, sondern drei verschiedene RNA-Polymerasen, die Template-, Ribosomen- und Transfer-RNA synthetisieren. Kornberg entwickelte eine Technik zur Analyse der Struktur und Funktion von Proteinen, die biochemische Methoden mit Kristallographie und Elektronenmikroskopie kombiniert und es ermöglicht, ein molekulares Bild der Transkription mit einer Auflösung von etwa drei Angström zu erh alten. Dieser Ansatz ermöglichte es, jeden Moment der Stadien der Promotorerkennung, der Transkriptionsinitiierung, der Anheftung des nächsten Ribonukleotids, der Ablösung der neu synthetisierten RNA von der Matrizen-DNA und der Transkriptionstermination buchstäblich bis zum Atom zu beschreiben. Die Arbeit wurde an Hefen durchgeführt, die sich in Gefangenschaft leicht vermehren, aber in Blumen, Schmetterlingen und bei uns sind RNA-Polymerasen, obwohl sie sich in strukturellen Details unterscheiden, ähnlich und arbeiten auf die gleiche Weise. Im Juni 2001 veröffentlichten Roger Kornberg und seine Mitarbeiter zwei Artikel in der Zeitschrift Science mit molekularen Porträts der Funktionsweise der RNA-Polymerase – bei einer Auflösung von 0,33 und 0,28 nm. R. Kornberg hat bereits viele wissenschaftliche Auszeichnungen erh alten, darunter den Großen Preis der Französischen Akademie der Wissenschaften (2002). Die Arbeit des Nobelpreisträgers gilt als in den 1970er Jahren gemeinsam mit seiner Frau Yali Lorch, ebenfalls Professorin an der Stanford University, der Untersuchung von Nukleosomen – dem ersten Glied der superspiralisierten Verpackung von DNA in Zellen. Und einer der ersten, der Roger gratulierte, war sein Vater, Arthur Kornberg, ebenfalls Stanford-Professor und Gewinner des Nobelpreises für Physiologie oder Medizin von 1959 „für seine Studie der Mechanismen der biologischen Synthese von Ribonuklein- und Desoxyribonukleinsäuren.“
Fang dein Glück am Schwanz
Der Nobelpreis 2006 für Physiologie oder Medizin „für die Entdeckung des Mechanismus der RNA-Interferenz (Unterdrückung der doppelsträngigen RNA-Genexpression)“ging an zwei junge Professoren, den 47-jährigen Andrew Fire von der Stanford University und der 45-jährige Craig Mello vom Massachusetts Institute of Technology. Bereits in den 1980er Jahren wurden erste Daten über die Fähigkeit gewonnen, die Expression von Genen – die Synthese von darin kodierten Proteinen – unter Verwendung von einzelsträngigen Antisense-RNA-Fragmenten zu blockieren, die zu Teilen des mRNA-Moleküls komplementär sind. Es wurde gezeigt, dass Bakterien, Pflanzen und niedere Tiere diesen Mechanismus nutzen, um die Synthese viraler Proteine zu unterdrücken. Es wurden sogar Versuche unternommen, virusresistente Pflanzen zu erzeugen, deren Zellen RNA synthetisierten, die die eigene RNA oder mRNA der Viren neutralisierte, auf der ihre Hüllproteine synthetisiert wurden, aber diese Methode war nicht effektiv genug. In Experimenten mit dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans (dieser mikroskopisch kleine Wurm hätte für seine Beiträge zur Molekularbiologie und Genetik geehrt werden sollen) planten Fire und Mello, die Genexpression mit einzelsträngigen RNAs zu unterdrücken, und doppelsträngige wurden als Kontrollen eingeführt. Also machten sie die Nobel-Entdeckung im Allgemeinen zufällig - aber nachdem sie herausgefunden hatten, dass doppelsträngige Fragmente viel besser funktionieren, konnten sie ihr Potenzial einschätzen.
Seit ihrer Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature (Februar 1998) ist die Zahl der Arbeiten zu Small Interfering RNA (siRNA, Small Interfering RiboNucleic Acids) wie ein Schneeball gewachsen. Über die Beteiligung von siRNAs an der DNA-Verpackung im Zellkern und ihre Rolle bei der Regulation der Genexpression nicht nur während der Infektion mit Viren, sondern auch im Normalzustand (insbesondere bei Prozessen der Zellspezialisierung) ist viel bekannt geworden. Kleine RNAs spielen eine wichtige Rolle beim Schutz von Zellen vor Mutationen: Mit ihrer Hilfe werden Transposons und andere bewegliche genetische Elemente – „springende“DNA-Abschnitte – aus Chromosomen herausgeschnitten. Es scheint, dass der Mechanismus der RNA-Interferenz aktiv an der Regulation des "Reifungsprogramms" von Zellen beteiligt ist.
Natürlich ist der Wirkmechanismus von si-RNA noch nicht vollständig verstanden. Aber auch ohne die Details zu verstehen, hat sich die RNA-Interferenz als sehr nützliches Werkzeug für die Forschung auf dem Gebiet der funktionellen Genomik erwiesen. Mit seiner Hilfe lässt sich ein bestimmtes Gen viel schneller und einfacher aussch alten als vor der Entdeckung der siRNA. Und in der Gentechnik wird sich zweifellos ein weiterer Weg zur Unterdrückung der Genexpression als nützlich erweisen. Und Pharmakologen griffen mit beiden Händen nach einer neuen Klasse von Substanzen, die die Synthese von durch Mutation krankhaft veränderten Proteinen stoppen oder das Eindringen des Virus in die Zelle ermöglichen können. Viele Labors auf der ganzen Welt arbeiten bereits an neuen Methoden zur Behandlung verschiedener Krankheiten, einschließlich Krebs, mithilfe von RNA-Interferenz. Um diese Methode der Gentherapie in die Praxis umzusetzen, müssen viele Probleme gelöst werden, aber si-RNA ist zweifellos eine Entdeckung auf Nobelniveau. Allerdings ist anzumerken, dass die Verleihung dieses Preises in der Wissenschaftswelt sofort begründete Einwände hervorrief. Tatsache ist, dass fast alle Ergebnisse, die Fire und Mello die Auszeichnung einbrachten, bereits in der ersten Hälfte der 1990er Jahre als Ergebnis von Experimenten mit Pflanzen und Pflanzenviren erzielt wurden. Am meisten tat auf diesem Gebiet der Engländer David Bolcomb, mit dem die Amerikaner zu Recht den Nobelpreis teilen sollten. Aber die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften hat anders entschieden
