Chemienobelpreis 1985: Herbert Aaron Hauptman — Jerome Karle
Die beiden Amerikaner wurden für die Entwicklung direkter, mathematischer Methoden zur Bestimmung der Kristallstruktur ausgezeichnet.
Biografien
Herbert Aaron Hauptman, * New York 14. 2. 1917; nach dem Mathematikstudium arbeitete er ab 1945 mit Karle zusammen, 1947 Eintritt in das Naval Research Laboratory in Washington, 1970 Professor an der Staatsuniversität New York in Buffalo, ab 1972 Direktor des privaten Forschungsinstituts Medical Foundation.
Jerome Karle, * New York 18. 6. 1918; arbeitete von 1943 an am Manhattan-Projekt zum Bau der Atombombe mit, wechselte 1946 ins Forschungsinstitut der Marine in Washington, nach dem Zweiten Weltkrieg Eintritt in das Naval Research Laboratory in Washington, dort seit 1967 Chefwissenschaftler für die Strukturforschung an Materie.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Die Aufklärung der Struktur eines Kristalls liefert dreidimensionale Bilder der Atompositionen.Die Karten zeigen auch die Verteilung der Elektronendichte im Kristall. Diese ist die Grundlage für die von Hauptman und Karle entwickelte »direkte Methode«, die Kristallstruktur zu bestimmen. Die Forscher wurden ausgezeichnet, da ihr mathematisches Verfahren eine immer bedeutendere Rolle sowohl in der organischen als auch in der anorganischen Chemie spielt.
Um 1900 besaßen die Chemiker noch ein geringes Verständnis der geometrischen Anordnung der Atome. Ein genaues Bild sowohl der Abstände zwischen den Atomen als auch der Winkel, die die einzelnen Bindungen bilden, lieferte erst die von den Physikern Max von Laue (Physiknobelpreis 1914) und den Engländern William Henry und William Lawrence Bragg (beide Physiknobelpreis 1915) entwickelte Röntgenstrukturanalyse und die von dem Amerikaner Clinton Joseph Davisson und dem Engländer George Thomson (beide Physiknobelpreis 1937) entdeckte Elektronenbeugung.
Komplizierte Vorarbeiten. ..
Der amerikanische Physikochemiker William Nunn Lipscomb (Nobelpreis 1976) kombinierte die Strukturbestimmung mit weiter reichenden Studien über die Natur der chemischen Bindung. Seine Theorie erforderte die Kenntnis der genauen Struktur der Moleküle, der Abstände und Winkel zwischen den Bindungen. Vor allem für zwei Forschungsgebiete der Chemie ist dieses Wissen von großem Nutzen, für die Ableitung der biologischen Funktion aus der Struktur und für die Erkundung der Reaktionsdynamik.
Zum ersten Gebiet gehören die unzähligen biologischen Signalrezeptorprozesse wie die Enzymaktivität oder die Antigen-Antikörper-Reaktionen. Die Struktur der relativ kleinen Signalmoleküle kann leicht bestimmt werden. Durch Analogie mit niedermolekularen Verbindungen lässt sich das auch für die Rezeptormoleküle erreichen. Sind sehr große Moleküle an Signalrezeptorprozessen beteiligt, folgt die Strukturaufklärung nach der von dem österreichisch-englischen Chemiker Max Perutz (Nobelpreis 1962) und dem englischen Biochemiker John Kendrew (Nobelpreis 1962) vorgeschlagenen röntgenographischen Methode.
Das zweite Gebiet beschäftigt sich unter anderem mit der Frage, wie chemische Reaktionen auf molekularer Ebene ablaufen, wie sich ein Molekül bewegt und wie sich die Struktur während des Prozesses verändert. Dafür interessierten sich die Preisträger. Die von Hauptman und Karle ersonnene direkte Methode der Strukturbestimmung gründet auf der Röntgen-Kristallographie. Die Elektronen zwischen den Kristallgittern lenken die Strahlen in bestimmte Richtungen ab, deren Intensität gemessen wird. Die Elektronendichte bestimmt sowohl die Intensität als auch die Phasenlage der gestreuten Strahlenbündel. Um die Anordnung der Atome im Kristall zu bestimmen, reicht es nicht aus, die Richtung und Intensität der aus dem Kristall austretenden Strahlenbündel zu bestimmen. Auch ihre Phaseninformationen muss man kennen. Bei einfachen Molekülen kann man die Lage der Atome innerhalb der kristallinen Elementarzellen noch durch intelligentes Raten ermitteln. Ab einer bestimmten Größe muss die Phase jedoch unweigerlich bestimmt werden. Für mittelgroße Proteine ab etwa 5000 Atomen, gezählt ohne die Wasserstoffatome, dient die Patterson-Funktion zur Phasenbestimmung. Bei der so genannten isomorphen Substitution (MID) wird ein geeignetes, stark streuendes Schwermetallion in das Protein geschleust. Bestimmt man die Orte der Schwermetallionen im Kristall, lässt sich die Phase der einzelnen Beugungsbündel ableiten.
... ergaben komplizierte Ergebnisse
Die Methode der anormalen Dispersion (MAD) nutzt Atome, die, wie das Selen, Röntgenstrahlen bei einer genau definierten Frequenz absorbieren, um die Phase zu bestimmen. Diesen indirekten Methoden setzten die beiden Wissenschaftler ihre »Direkte Methode« entgegen. Ohne umständliche Phasenbestimmung gelang es ihnen, die Struktur kristalliner Moleküle aus den Daten der Beugungsmuster zu berechnen. Sie nutzten für ihr mathematisches Verfahren die Tatsache, dass die Elektronendichte stets positiv ist. Das reduziert die theoretisch möglichen Phasenverschiebungen erheblich und macht ihre Bestimmung dadurch mathematisch zugänglich. Auf dieser Voraussetzung basierend entwarfen sie Gleichungssysteme, die auf den Werten der gemessenen Intensität gründen. Die Gleichungen sind statistisch lösbar, da die Zahl der Messungen viel größer ist als die der Gleichungen. Zwischen 1950 und 1956 legten sie die Grundlage für die rationelle Nutzung der direkten Strukturbestimmung. Die große Bedeutung ihrer Methode ergibt sich aus den daraus hervorgegangenen Entwicklungen der chemischen Analyse.
Zwei Forscher ergänzen sich
Hauptman interessierte sich von Anfang an nur für die Mathematik. Nach dem Studium der Mathematik entschied er sich dazu, Grundlagenforschung zu betreiben. Als er 1947 am Forschungsinstitut der Marine in Washington auf Karle traf, war der weitere Weg vorgezeichnet. Denn die Zusammenarbeit mit Karle erwies sich für ihn als wissenschaftlich außerordentlich fruchtbar, da sich seine mathematischen Fähigkeiten mit Karles tiefem Verständnis der physikalischen Chemie »sehr schön ergänzten«, wie er einmal schrieb. Sie bearbeiteten nicht nur gemeinsam das Phasenproblem der Röntgenstrahl-Kristallographie. Die Zusammenarbeit inspirierte ihn auch zu seiner Doktorarbeit »Ein n-dimensionaler Euklidischer Algorithmus«. Zuletzt arbeitete er daran, die direkten Methoden mit der isomorphen Substitution zu kombinieren, um makromolekulare Kristallstrukturen zu analysieren.
Jerome Karle entstammt einer Künstlerfamilie. Seine Mutter, die exzellent Klavier und Orgel spielte, hoffte auf eine Fortführung durch den kleinen Jerome. Doch der fand viel mehr Gefallen an den Naturwissenschaften als an öffentlichen Auftritten. Seine Frau und Kollegin Isabelle Hellen Karle unterstützte ihn fachlich und vor allem moralisch. Das war in den frühen 1950er-Jahren notwendig, als die meisten Kollegen ihm »nicht ein Wort glaubten«. Sie war eine der Ersten, die die direkte Methode erfolgreich einsetzte.
In den letzten Jahren hat sich Karle sehr für den Umweltschutz und den Kampf gegen die sozialen Probleme der Welt eingesetzt. Er ist überzeugt, dass das Bevölkerungswachstum die Bemühungen des Umwelt- und Ressourcenschutzes konterkariert. Mit den Worten »Unsere Welt hat einen langen Weg vor sich«, gibt er der Hoffnung auf einen dauerhaften sozialen Frieden Ausdruck.
U. Schulte