Chemienobelpreis 1964: Dorothy Hodgkin-Crowfoot
Die Britin erhielt den Nobelpreis für die Entschlüsselung von biochemischen Molekularstrukturen mithilfe der Röntgenkristallographie.
Biografie
Dorothy Hodgkin-Crowfoot, * Kairo 12. 5. 1910, ✝ Shipston-on-Stour (Warwickshire, England) 29. 7. 1994; 1947 Mitglied der Royal Society, 1960-77 Lehrstuhl in Oxford, 1970 Kanzlerin der Universität Bristol, 1972-78 Präsidentin der International Union of Crystallography, Mitbegründerin und zeitweise Präsidentin der »Pugwash«-Bewegung gegen den Gebrauch wissenschaftlicher Forschung zur Waffenentwicklung.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Die Chemikerin Dorothy Hodgkin erinnerte sich genau an den Zeitpunkt, als sie zum ersten Mal für »nobelpreiswürdig« erklärt wurde. Es war kurz nach dem Zweiten Weltkrieg, und Dorothy Hodgkin hatte die Ergebnisse ihrer Penicillinforschung ihrem ehemaligen Forschungschef John Desmond Bernal in Cambridge vorgelegt. Bernal sagte »Du meine Güte! Dafür kriegst du den Nobelpreis!« Den Nobelpreis bekam sie dafür noch nicht, wurde aber 1947 als zweite Frau Mitglied der Royal Society.
Die Entschlüsselung biologisch wichtiger Moleküle
Der große Durchbruch gelang Dorothy Hodgkin 1949, als sie ihre Erkenntnisse zur Struktur des Penicillins publizierte.Penicillin, 1929 von Sir Alexander Fleming (Nobelpreis für Medizin 1945) entdeckt, war das erste und ist immer noch das wichtigste Antibiotikum gegen bakterielle Infektionen. 1956 veröffentlichte Hodgkin eine Untersuchung zur Struktur des Vitamins B12. Das 1948 erstmals aus der Leber isolierte Vitamin trägt entscheidend zur Bildung roter Blutkörperchen im Körper bei und spielt bei der Verhütung von perniziöser (bösartiger) Anämie eine Rolle. Diesen beiden Arbeiten zum Aufbau biologisch bedeutsamer Moleküle verdankt die Wissenschaftlerin ihren Nobelpreis. Den Nobelvortrag in Stockholm hielt sie über »Die Röntgenanalyse komplizierter Moleküle«. Drei Jahrzehnte früher hatte sie ihre Forschungen an vergleichsweise einfachen, kleinen Molekülen begonnen. Dorothy Hodgkins Interesse an der Röntgenstrukturanalyse wurde geweckt, als ihr ihre Mutter die Weihnachtsvorlesungen für Kinder von Sir William Henry Bragg (Nobelpreis für Physik 1915) schenkte. Das Buch »Über die Dinge der Natur« machte die 15-jährige mit der Methode bekannt, der sie ihr Leben lang treu blieb. Bragg beschreibt in seinem Buch, wie man durch die Beugung von Röntgenstrahlen die Struktur von Kristallen aufklären und Atome »sehen« kann. Schon während ihres Studiums an der Universität in Oxford arbeitete die junge Chemikerin in der Röntgenkristallographie. Noch als Studentin ging sie nach Cambridge zu dem brillanten Röntgenkristallographen John Desmond Bernal.
Die Röntgenstrukturanalyse als Mikroskop für Atome und Moleküle
Die Röntgenstrukturanalyse zur Bestimmung der Gitter und Gitterkonstanten von Kristallen war damals eine relativ neue Wissenschaft, kombiniert aus Mathematik, Physik und Chemie. Max von Laue (Nobelpreis für Physik 1914) hatte 1912 entdeckt, dass Röntgenstrahlen beim Durchgang durch Kristalle gebeugt werden. Auf der Fotoplatte entsteht ein Muster aus Schwärzungspunkten, die für den Kristalltyp charakteristisch sind und aus denen sich die Kristallstruktur errechnen lässt. Bei einfachen Kristallen hält sich der Rechenaufwand in Grenzen, bei komplizierten, biologisch relevanten Molekülen ist er enorm.
Genau dieser schwierigen Arbeit hatte sich Bernal gewidmet. Zunächst arbeitete er vor allem mit Sterinen. Das sind hydroaromatische Kohlenwasserstoffverbindungen, die in allen tierischen und pflanzlichen Zellen vorkommen. Am bekanntesten ist das Cholesterin.
Unter Bernal entstanden Dorothy Hodgkins erste wichtige Arbeiten zur Röntgenbeugung. Sie blieb zwei Jahre in Cambridge und untersuchte knapp 100 verschiedene Sterine. Ihre Erfahrung mit den komplizierten Kristallen des Verdauungsenzyms Pepsin führte die junge Doktorin 1935 mit einem Forschungsstipendium ans Somerville College nach Oxford zurück.
Auf der Tagung der Nobelpreisträger in Lindau am Bodensee 1989 hat Dorothy Hodgkin-Crowfoot die weiteren Etappen ihres Forscherlebens geschildert: »Ich habe allmählich eine kleine Forschergruppe aufgebaut, die sich mit der Aufklärung interessanter Kristallstrukturen bis hin zur Atomauflösungsgrenze beschäftigte. Ich fing mit Sterinen an, besonders mit Cholesteryljodid. Gleich am Anfang gab mir jedoch Robert Robinson eine kleine Probe von kristallinem Insulin. Ich las alles, was ich darüber finden konnte, vermochte sogar Kristalle von ausreichender Größe zu züchten und nahm in großer Aufregung die ersten Röntgenbilder auf. Eine derartige Struktur aufzuklären, überstieg meine Fähigkeit bei weitem. Ich musste auf jeden Fall mit kleineren Molekülen arbeiten und wandte mich dem Penicillin zu, das Chain und Florey in Oxford gerade isoliert hatten. Als die Kristalle 1943 endlich gezüchtet waren, wusste man über das Molekül immerhin schon so viel, dass man mögliche Strukturen aufschreiben konnte. Wir sammelten Röntgendaten über Natrium-, Kalium- und Rubidiumpenicillin und bedienten uns aller einfachen Möglichkeiten, die jemals zur Berechnung von Elektronendichte und Strukturfaktoren erdacht worden waren. Als der Krieg in Europa zu Ende ging, war auch die Struktur klar.«
Impulse für Forschungstechnologie und Pharmaindustrie
Dorothy Hodgkin war fasziniert von dem Gedanken, durch Röntgenstrukturanalyse die räumlichen Anordnungen der Atome von biologischen Materialien exakt zu ermitteln. Bei ihren Untersuchungen zum Vitamin B12 kam ihr der Fortschritt der Technik zugute. Dank des ersten elektronischen Großrechners musste sie zur Berechnung der Elektronendichte nicht länger auf mechanische Rechenmaschinen zurückgreifen. Mit dessen Hilfe entdeckte sie 1955 eine komplizierte Molekülform, die ein neues, einem Porphinring ähnliches Ringsystem aufwies, das um ein Kobaltatom herum angeordnet war: das Corrinringsystem. Es war das erste Mal, dass ein biochemisches Problem mit einem Computer gelöst wurde. Auf Hodgkins Arbeit aufbauend, konnte das Vitamin B12 später künstlich hergestellt werden. 1969 entschlüsselte Hodgkin nach 34-jähriger Arbeit auch die dreidimensionale Struktur von Insulin. Hodgkins Bestimmung der Stereometrie des 777-Atome-Moleküls erlaubte gentechnische Veränderungen von Insulin zur besseren Behandlung von Diabetes.
Durch ihre Untersuchungen an Penicillin, Vitamin B12, Insulin und anderen Proteinen verbesserte Dorothy Hodgkin entscheidend die Methoden der Beugung von Röntgenstrahlen zur Erforschung der morphologischen Struktur von Kristallen. Sie entwickelte dabei dreidimensionale Betrachtungsweisen vom Molekular- und Atomaufbau höchst komplexer organischer Strukturen, die unter anderem Sir John Cowdery Kendrew und Max Ferdinand Perutz (gemeinsamer Nobelpreis 1962) befähigten, Hämoglobin und Myoglobin dreidimensional abzubilden. Mit jeder neuen Entdeckung erweiterte Dorothy Hodgkin die Technologie der Kristallographie und den Gebrauch molekularer Strukturen zur Erklärung biologischer Funktionen.
U. Fölsing