Chemie im Cyberspace

Stockholm. Wie analysiert man chemische Prozesse, die in Sekundenbruchteilen ablaufen? Diese Frage, die mit Methoden der klassischen Chemie kaum lösbar war, bekam die Wissenschaft schließlich dank des Computers in den Griff. Drei in den USA tätige Chemiker, die dabei eine bahnbrechende Rolle spielten, erhalten nun dafür den Chemie-Nobelpreis 2013: Martin Karplus (Harvard Universität und Universität Straßburg), Michael Levitt (Stanford Universität) und Arieh Warshel (Universität von Südkalifornien, Los Angeles).

"Es ist fast unmöglich, jeden Schritt in chemischen Prozessen experimentell zu verfolgen. Die Methoden, für die nun die Forscher mit dem Nobelpreis in Chemie bedacht werden, haben es ermöglicht, diese Prozesse am Computer zu enthüllen", heißt es seitens der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften, die am Mittwoch in Stockholm die Preisträger bekanntgab und deren wissenschaftliche Leistungen würdigte: "Die Simulationen sind so realistisch, dass sie die Ergebnisse traditioneller Experimente vorhersagen."

"Dieser Preis handelt davon, das Chemie-Experiment in den Cyberspace zu bringen", formulierte es Staffan Normark, Ständiger Sekretär der Akademie. Mit ihrer Arbeit haben die Preisträger die Grundlage für die meisten Fortschritte in der modernen Chemie geschaffen, heißt es in der Begründung der Preisvergabe. Karplus, Levitt und Warshel legten die Basis für präzise Analysen chemischer Prozesse am Computer. Dafür war es notwendig, Newtons klassische Physik mit der Quantenphysik zu kombinieren. Davor war es Chemikern nicht erspart geblieben, sich bei ihren Modellierungen zwischen beiden Kategorien zu entscheiden.

Die Lage von Atomen und Ionen in chemischen Verbindungen konnte zwar bereits vor den Forschungen der Preisträger weitgehend modellhaft dargestellt werden. Wenn allerdings chemische Prozesse ablaufen, verändern sich die Bindungen zwischen den Teilchen. Bisherige experimentelle Methoden waren, was die dynamischen Abläufe betrifft, begrenzt. Die Leistung der drei Preisträger bestand darin, Grundlagen für mehrskalige Computermodelle zu entwickeln, die zum Verständnis und zur Vorhersage der Prozesse in komplexen chemischen Systemen dienen.

"Drei super Typen"

Alle drei Preisträger stammen ursprünglich aus anderen Ländern und besitzen auch noch - neben der US-Staatsbürgerschaft - deren Staatsbürgerschaft. Martin Karplus wurde am 15. März 1930 in Wien geboren, seine Familie wurde 1938 von den Nationalsozialisten aus Österreich vertrieben. Arieh Warshel kam 1940 im heutigen Israel zur Welt, Michael Levitt 1947 in Südafrika. "Sie haben das absolut verdient", würdigt etwa in Deutschland laut "Spiegel online" Helmut Grubmüller, Direktor des Göttinger Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie, die Laureaten: "Sie sind begeistert für die Wissenschaft, leben für die Wissenschaft. Es sind drei Super-Typen."

Martin Karplus, der beim zweifachen Nobelpreisträger Linus Pauling studierte, ist der 17. Nobelpreisträger, der in den Grenzen des heutigen Österreich geboren wurde. Er hat sich auch als Fotograf einen Namen gemacht. Der Grazer Biochemiker und frühere Präsident des Wissenschaftsfonds FWF, Christoph Kratky, kennt Karplus seit den 1970er Jahren, als er als Post-Doc an der Harvard University tätig war. Die damaligen Experimente drehten sich um theoretische Kraftfeld-Berechnungen an Proteinen, bewegten sich also im Umfeld dessen, wofür Karplus jetzt geehrt wird.

Die grundlegenden Arbeiten von Karplus zur Berechnung der Prozesse, die in biologischen Makromolekülen stattfinden, hätten, so Kratky, zu wichtigen Forschungswerkzeugen geführt, "die überall auf der Welt verwendet werden. Das ist heute das tägliche Brot von vielen Personen, die sich mit der Struktur und Funktion von Biomolekülen beschäftigen", so der Ex-FWF-Präsident. Er nennt Karplus einen "immens intellektuellen Menschen" und "Wissenschafter mit dem richtigen Zug zum Tor".

Für Rolf Breinbauer, Leiter des Instituts für Organische Chemie an der Technischen Universität (TU) Graz, ist die Vergabe des diesjährigen Nobelpreises für Chemie an Karplus "höchst verdient". Durch die von Karplus entwickelte Methodik könne man nun Proteine in ihrer Dynamik und Funktion besser verstehen. Sie vereine die Quantenmechanik mit der molekularen Modellierung. Das Besondere daran sei, dass damit komplexe Systeme zugänglich werden, die weder mit der einen noch mit der anderen Methode zugänglich wären. Eine der wichtigsten Anwendungen dabei ist das Verständnis von Proteinen und Enzymen.

"Wenn man einen Biokatalysator, der einen chemischen Prozess katalysiert, nur mit der Quantenmechanik rechnen würde, wäre das unlösbar, weil das ein Vielteilchenproblem ist - selbst mit den besten Computern in 50 Jahren würde das nicht gehen", so Breinbauer. Aber durch die von Karplus entwickelte sogenannte Hybridtechnik, bei der man das spezifische Problem mit der genauen Methode und das globale Umfeld mit der weniger genauen Methode modelliert, habe man ganz neue Einsichten ermöglicht.

Der Preis ist wie im Vorjahr mit acht Millionen schwedischen Kronen (921.000 Euro) dotiert. Er wird am 10. Dezember, am Todestag des 1896 gestorbenen Preisstifters, übergeben.

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