Chemienobelpreis 1952: Archer John Porter Martin — Richard Laurence Millington Synge
Die beiden britischen Wissenschaftler erhielten den Nobelpreis für ihre Erfindung der Verteilungschromatographie.
Biografien
Archer John Porter Martin, * London 1. 3. 1910; ab 1938 Biochemiker am Forschungslabor der britischen Wollindustrie in Leeds, ab 1952 Leiter der Abteilung für physikalische Chemie des National Institute for Medical Research in London, ab 1959 Direktor der Abbotsbury Laboratories Ltd. in Elstree (Hertfordshire).
Richard Laurence Millington Synge, * Liverpool 28. 10. 1914, ✝ Norwich 18.8.1994; ab 1941 mit Martin am Forschungslabor der britischen Wollindustrie, ab 1943 am Lister Institute in London, ab 1948 Leiter der Abteilung Proteinchemie am Rowlett Research Institute (Aberdeen), ab 1967 am Institut für Ernährungsforschung in Norwich.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Die Naturwissenschaft Chemie heißt auf holländisch »Scheikunde«, zu deutsch: »die Kunst der Trennung«.Das Scheiden, also das Trennen verschiedener Bestandteile war immer ein zentrales Anliegen in der Chemie. Das erkannte auch das Stockholmer Komitee an, als es 1952 dem britischen Chemiker Archer Martin und dessen Landsmann, dem Biochemiker Richard Synge, den Nobelpreis für ein Verfahren verlieh, mit dessen Hilfe komplizierte Stoffgemische effektiv voneinander getrennt werden können. Verteilungschromatographie nennen Chemiker dieses Verfahren.
Die Chromatographie selbst war längst bekannt, als die beiden Briten ihr Verfahren entwickelten. Generell sickert bei dieser Methode ein Lösungsmittel durch ein Stoffgemisch, dessen Substanzen unterschiedliche Eigenschaften haben sollten. Löst sich ein Material zum Beispiel recht gut in Fett, sollte das andere eher wässrige Eigenschaften haben. Der Chemiker weiß, dass Fette elektrisch weitgehend neutral sind, während zum Beispiel ein Wassermolekül auf der Seite der beiden Wasserstoffatome leicht positiv und auf der Seite des Sauerstoffatoms leicht negativ geladen ist. Ähnlich aufgebaute Substanzen werden von diesen Ladungen angezogen, sodass sich die negativ geladenen Enden eines Moleküls mit den positiven Enden eines anderen Moleküls zusammenlagern. So entstehen Ketten oder Netzwerke von Molekülen, die durch elektrische Kräfte zusammengehalten werden.
Gleich und Gleich gesellt sich gern
Moleküle ohne eine entsprechende Ladungsverteilung lagern sich nicht in solch einer Kette ein. Vielmehr versuchen solche »unpolar« genannten Substanzen sich mit ihresgleichen zusammenzutun. Dieses Verhalten kennzeichneten schon die ersten Chemiker mit dem einprägsamen lateinischen Begriff »Similia similibus solvuntur«. Das entspricht in etwa dem Deutschen »Gleich und Gleich gesellt sich gern«. Genau dieses Phänomen nutzt die Chromatographie aus.
Im speziellen Fall der Verteilungschromatographie saugt zum Beispiel Filter- oder Löschpapier aufgrund der Kapillarkräfte (also aufgrund eines rein physikalischen Phänomens) Flüssigkeiten wie ein Gemisch aus Butylalkohol und Wasser auf. Das Wasser bleibt dabei am Papier »hängen«, während der »fettähnliche« Alkohol im Papier weiterwandert. Lösen Chemiker nun verschiedene Substanzen im Gemisch aus Butylalkohol und Wasser, bevor sie die Flüssigkeit auf das Löschpapier auftragen, haben diese beim Aufsaugen sozusagen die Wahl, ob sie sich dem Wasser oder dem Alkohol anschließen. Unpolare Substanzen werden demnach mit dem Butylalkohol wandern, polare Substanzen werden sich dagegen ans Wasserhängen.
Stoppt ein Wissenschaftler die Chromatographie nach einiger Zeit, werden die unpolaren Substanzen weiter gewandert sein als die polaren. Besteht das Gemisch nur aus zwei Komponenten, die mithilfe eines Farbstoffs sichtbar gemacht werden können, sollte die unpolare Substanz einen Fleck bilden, der relativ weit vom Ausgangsort entfernt ist. Die polare Substanz sollte dagegen in der Nähe des Ausgangspunktes geblieben sein. Handelt es sich um mehrere Gemischbestandteile, sehen die Analytiker nach dem Ende der Chromatographie eben mehrere Flecken, die sich entsprechend ihrer Polarität verteilt haben. Aufgrund dieser Farbflecken trägt diese Methode den Namen Chromatographie; Chroma ist die griechische Bezeichnung für Farbe.
Enthält ein Gemisch jedoch zu viele verschiedene Substanzen, so trennen sich diese kaum noch vollständig voneinander. Anstelle klar definierter Flecken mit Stoffen unterschiedlicher Polarität verschwimmen die einzelnen Substanzen nach der Chromatographie miteinander. Das passiert vor allem bei sehr großen Molekülen wie dem Hämoglobin, dem roten Blutfarbstoff. Um diese Substanz zu analysieren, teilen Biochemiker sie zum Beispiel mit dem Enzym Trypsin in 28 Fragmente, die Peptide, die im Durchschnitt etwa 20 Aminosäure-Bausteine enthalten. Das sind aber bei weitem zu viele Fragmente, um sie mithilfe der Chromatographie klar voneinander zu trennen. Der Analytiker trägt daher das Gemisch aus diesen Peptiden in einer Ecke des Filterpapiers in einer wässrigen Lösung auf. Anschließend legt er eine elektrische Spannung an, die jedes Fragment entsprechend seiner elektrischen Ladung (manche Aminosäuren tragen positive, manche negative, andere keine elektrische Ladung) verschieden stark anzieht. Genau wie bei der normalen Verteilungschromatographie zwischen einer polaren und einer unpolaren Flüssigkeit verteilen sich jetzt die Peptide entsprechend ihrer Ladung. Vollständig aber ist die »Scheidung« noch nicht, die meisten Flecken überlappen mit anderen Peptiden.
Fingerprinting
Die Forscher drehen das Filterpapier um 90 Grad und tauchen es mit der Seite, an der sich die Peptide teilweise voneinander getrennt haben, in ein Gemisch aus verschiedenen organischen Lösungsmitteln und Wasser. Während die Lösungsmittel im Papier aufsteigen, findet wieder eine klassische Verteilungschromatographie statt, die allerdings nach anderen Eigenschaften trennt als die vorherige elektrische Separation. Obendrein sind die Peptide schon teilweise entlang einer Linie aufgetrennt und werden jetzt in einer anderen Richtung erneut getrennt. Es entsteht also ein zweidimensionales Muster von Flecken, in dem sich im Normalfall 28 Peptide problemlos voneinander trennen. Der Biochemiker kann sich nun ein Bild von der Zusammensetzung des Blutfarbstoffs machen, indem er diesen rekonstruiert. Diese Methode wird von den Biochemikern »Fingerprinting« genannt. Die zweidimensionale Chromatographie eignet sich auch hervorragend, um die Ursache für bestimmte Erbkrankheiten zu analysieren. So sehen bei Menschen mit Sichelzellenanämie die roten Blutkörperchen völlig anders aus als bei Gesunden. Statt rund und leicht eingedrückt sind sie sichelförmig. Um die Ursache für diesen Unterschied herauszufinden, analysierten Forscher Hämoglobin aus kranken und gesunden Zellen mittels Fingerprinting. Ein Vergleich der Peptidmuster zeigte, dass ein einziges Peptid für den Unterschied zwischen gesund und krank verantwortlich ist. Weitere Untersuchungen ergaben außerdem, dass eine einzige »falsche« Aminosäure für die Deformation der Zellen verantwortlich ist. Dieser Erfolg der analytischen Chemie war ein schlagender Beweis dafür, dass Archer Martin und Richard Synge 1952 zu Recht mit dem Nobelpreis ausgezeichnet worden waren.
R. Knauer, K. Viering