Spektrum Spezial BMH 1/2025 - Chemie des Lebens - Biomoleküle im neuen Licht

Leben ist Chemie. Molekulare Strukturen und chemische Reaktionen liefern die Grundlage sämtlicher biologischer Systeme. Vor allem Proteine nehmen als Biokatalysatoren eine Schlüsselposition im Organismus ein. Die Aufklärung des räumlichen Aufbaus dieser Substanzen gilt daher als Heiliger Gral der Molekularbiologie. Dank des Einsatzes moderner Computertechniken sowie künstlicher Intelligenz gelingt das immer besser und eröffnet ungeahnte Möglichkeiten in der Medizin

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Als das Nobelpreiskomitee am 9. Oktober 2024 verkündete, wer die höchste wissenschaftliche Auszeichnung für Chemie erhalten sollte, hatte wohl mancher eine Wette gewonnen: Der Preis ging an John Jumper und Demis Hassabis, die Entwickler der KI AlphaFold2, sowie den Proteindesigner David Baker. Die beiden ersten hatten einen Algorithmus geschaffen, der die Struktur von Proteinen vorhersagt, den Arbeitsmaschinen aller Organismen. Baker wiederum hatte ein Computerprogramm entwickelt, mit dessen Hilfe sich jedes gewünschte Protein gezielt herstellen lässt. Diese Durchbrüche sind so spektakulär, weil sie ein Problem lösten, das bis dahin quasi als unlösbar galt - die Beziehung zwischen der Struktur eines Proteins und der Abfolge seiner Aminosäuren zu entschlüsseln. Denn letztlich ist jedes Protein eine Kette aneinandergeknüpfter Aminosäuren, die sich zu einem einzigartigen dreidimensionalen Gebilde zusammenfaltet. Wie sich diese Maschinen in der Zelle bewegen, lässt sich dank ei ner raffinierten Methode des Physikers Stefan Hell mittlerweile in Echtzeit nachverfolgen. »Ångström-Präzision bei Raumtemperatur! Dass das funktioniert, hätte man nicht gedacht«, erzählte mir der Nobelpreisträger bei einem Besuch in seinem Labor. 2021 wurde AphaFold2 vorgestellt, heute sind fast alle bekannten Proteine samt ihrer Aminosäuresequenzen in einer öffentlich zugänglichen Datenbank hinterlegt. Ein wertvoller Schatz, besonders für die Arzneimittelforschung. Denn viele medizinische Wirkstoffe docken gezielt an bestimmte Proteine an, um deren Funktion zu verändern. Dazu muss das entsprechend Molekül genau in die Bindungsstelle des Zielproteins passen. Mit computergestützten Methoden können Fachleute heute vorab simulieren, ob das klappt. Künftig werden sich spezielle Medikamente sogar automatisiert und dezentral herstellen lassen. Geeignete chemischen Reaktionen zu finden, um das gewünschte Mittel zusammenzubauen, ist wiederum eine Wissenschaft für sich. Zunehmend nutzen F orschungsgruppen dazu unkonventionelle Ansätze, setzen etwa elektrochemische Methoden ein oder schicken sich an, die innere Ringstruktur von Wirkstoffmolekülen zu verändern. Das galt lange als nicht möglich - doch immer mehr Durchbrüche belegen das Gegenteil.