Chemienobelpreis 1948: Arne Wilhelm Kaurin Tiselius
Der schwedische Forscher erhielt den Nobelpreis für seine Arbeiten über Elektrophorese und Adsorptionsanalyse, besonders für die Entdeckung der komplexen Natur von Serumproteinen.
Biografie
Arne Wilhelm Kaurin Tiselius, * 10. 8. 1902 Stockholm, ✝ 29. 10. 1971 Uppsala; 1930 Promotion an der Universität Uppsala, danach dort Dozent für Chemie, 1938-68 Lehrstuhl für Biochemie an der Universität Uppsala, 1960-64 Präsident der Nobelstiftung.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Unter Elektrophorese versteht man die Trennung von geladenen Teilchen in einer Lösung unter dem Einfluss eines elektrischen Felds. Dabei bewegen sich die negativ geladenen Teilchen in Richtung Anode, die positiv geladenen Teilchen wandern in Richtung Kathode.Die Wanderungsgeschwindigkeit der Teilchen ist dabei abhängig von der Größe und Form der Teilchen, von der Temperatur und Zähflüssigkeit (Viskosität) der Lösung und von der angelegten Feldstärke. Unterwirft man ein Substanzgemisch der Elektrophorese, so führen die unterschiedlichen Teilchengeschwindigkeiten der verschiedenen Substanzen zu einer Auftrennung dieser Bestandteile.
Auf diese Weise kann man zum Beispiel prüfen, ob es sich bei einem isolierten Protein wirklich um eine einheitliche Substanz handelt oder ob ein Substanzgemisch sehr ähnlicher Verbindungen vorliegt. Proteine können als geladene Teilchen auftreten, da sie über funktionelle Gruppen wie die Aminogruppe (-NH2) beziehungsweise die Carboxygruppe (-COOH) verfügen. Die Aminogruppen können positive Wasserstoffionen aus der Lösung aufnehmen und dadurch dem Proteinmolekül zu einer positiven Ladung verhelfen, während die Carboxygruppen positive Wasserstoffionen abspalten können und dadurch ein negativ geladenes Proteinteilchen entsteht. Die Ladungen der Teilchen sind also über die Wasserstoffionenkonzentration (pH-Wert) der Lösungen beeinflussbar.
Eine Methode wird revolutioniert
Der schwedische Physiko- und Biochemiker Theodor Svedberg (Nobelpreis 1926) übertrug Ende der 1920er-Jahre seinem Doktoranden Arne Tiselius die schwierige Aufgabe, die prinzipiell bekannte Methode der Elektrophorese einer kritischen Prüfung zu unterziehen und sie auf ihre verstärkte Anwendung in der biochemischen Forschung zu prüfen. Die Methode der Elektrophorese war zu dieser Zeit mit einer Reihe von Unvollkommenheiten und Schwierigkeiten belastet. Die Untersuchungen von Tiselius führten zu einer radikalen Neukonstruktion von Elektrophoresegeräten. Dabei ging es unter anderem darum, die bei dem Prozess auftretenden und sehr störenden Konvektionsströme zu reduzieren und konstante Temperaturen einzuhalten. Außerdem wurde eine neue physikalische Messmethode angewendet, um die durch die Wanderung der Teilchen entstehenden Konzentrationsänderungen und -verteilungen zu bestimmen. Aus diesen Daten konnte man die Anzahl der in einem Gemisch vertretenen Komponenten und ihre Konzentration ableiten. Es wurde auch möglich, die einzelnen Fraktionen präparativ abzutrennen.
Tiselius erzielte mit seiner neuen und nicht leicht zu handhabenden Elektrophoreseapparatur sehr bald einen spektakulären Erfolg, als es ihm gelang, den Proteinanteil im Pferdeblutserum in mehrere Komponenten aufzutrennen: in Albumin, Alpha-, Beta- und Gammaglobulin. Die großen Möglichkeiten der Elektrophorese für die medizinische Diagnostik wurden schlagartig sichtbar. Andere Forscher wandten die Elektrophorese auch auf die Untersuchung des menschlichen Bluts an. Dadurch bekam man eine analytische Methode, zwischen pathologischem Blutserum und gesundem Blutserum zu unterscheiden. Die Weiterentwicklung der Elektrophorese führte in den 1940er-Jahren zu den einfacher zu handhabenden Methoden der Papier- und Gelelektrophorese, bei denen die Elektrophorese nicht mehr in freier Lösung, sondern auf Trägermaterialien wie Cellulose (Papier) oder bestimmten Gelen durchgeführt wird. Heute nimmt die Elektrophorese eine herausragende Stellung bei der Trennung von DNS-Fragmenten und bei der Bestimmung von Basensequenzen in DNS-Molekülen ein. Sie ist zu einem unentbehrlichen Werkzeug der Gentechnologie geworden.
Auch andere Methoden sind ausbaufähig
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten von Tiselius war die Anwendung der Adsorptionsanalyse für die Reinigung und Isolierung biochemisch und medizinisch wichtiger Verbindungen. 1940 begann Tiselius, diese Methode zur Trennung von Proteinen und deren Abbauprodukten wie Peptiden und Aminosäuren einzusetzen.
Hier baute Tiselius auf der von dem russischen Botaniker Michail Tswett entwickelten Adsorptionschromatografie auf. Um pflanzliche Farbstoffgemische zu trennen, ließ Tswett Lösungen der Farbstoffextrakte in einem Glasrohr senkrecht durch ein festes, adsorbierendes Material (Adsorbens) fließen. Da die unterschiedlichen Farbstoffe ein unterschiedliches Bindungsvermögen in Bezug auf das Adsorbens haben, bilden sich in der Adsorbens-Säule Farbzonen aus. Durch Nachspülen mit reinem Lösungsmittel kann man solche Farbstoffzonen weiter auftrennen und größere Abstände innerhalb der Säule erreichen. Danach trennt man diese gefärbten Zonen mechanisch und extrahiert die einzelnen Farbstoffe. Die Auseinandersetzung mit dieser Methode führte durch Tiselius zur Entwicklung von drei adsorptionsanalytischen Methoden: der Frontalanalyse, der Elutionsanalyse und der Verdrängungsanalyse. Bei der Frontalanalyse lässt man die zu untersuchende Lösung ohne Unterbrechung durch die chromatografische Säule laufen. Diese Methode ist nur anwendbar bei sehr verdünnten Lösungen und unter der Voraussetzung, dass nur eine schwache Adsorption stattfindet. Bei der Elutionsanalyse lässt man das Ausgangsmaterial an der Spitze der Säule adsorbieren. Danach presst man reines Lösungsmittel durch die Säule, um die Auftrennung zu erreichen. Bei der Verdrängungsanalyse wird zu Beginn eine kleine Menge der zu untersuchenden Lösung in die Säule gepresst. Danach schickt man eine Substanz durch die Säule, die besser adsorbiert wird als jede der in der zu untersuchenden Lösung vorhandenen Substanzen. Diese stärker adsorbierende Substanz drängt die schwächer adsorbierenden umfassend und gut getrennt aus der Säule heraus. Tiselius ging es vor allem darum, auch farblose chemische Verbindungen trennen zu können. Bei allen drei Verfahren mussten deshalb die aus der Säule austretenden farblosen Lösungen auf Konzentrationsänderungen untersucht werden, um das Auftreten der einzelnen Komponenten zu erkennen.
Sowohl die Elektrophorese als auch die Adsorptionsanalyse wurden erfolgreich für die Trennung biochemisch bedeutsamer Verbindungen wie Fettsäuren, Saccharide, Aminosäuren, Peptide, Proteine und Nucleinsäuren eingesetzt. Sie waren und sind wichtige analytische Werkzeuge vor allem für die Entwicklung der großen Forschungsgebiete der Enzyme und der Nucleinsäuren.
Arne Tiselius war nicht nur ein überragender Physiko- und Biochemiker, sondern auch ein bedeutender Wissenschaftsorganisator, der in vielen nationalen und internationalen Wissenschaftsorganisationen zur Entwicklung der Biochemie und der Molekularbiologie beitrug.
A. Neubauer