Chemienobelpreis 1958: Frederick Sanger
Der britische Chemiker erhielt den Nobelpreis für seine Arbeiten über die Struktur von Proteinen, insbesondere über die Struktur von Insulin.
Biografie
Frederick Sanger, * Rendcomb (England) 13. 8. 1918; 1943 Promotion auf dem Gebiet der Biochemie an der Cambridge University, 1943-62 Forschungstätigkeit am Department of Biochemistry Cambridge University, 1962-83 Leiter der Abteilung für Protein- und Nucleinsäurechemie am Laboratory for Molecular Biology des Medical Research Council in Cambridge.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Im Alter von 25 Jahren begann der Biochemiker Frederick Sanger, die Strukturaufklärung einer physiologisch sehr bedeutsamen Verbindung, des Hormons Insulin, in Angriff zu nehmen. Diese Untersuchungen wurden am Rinderinsulin durchgeführt. Ein Mangel an diesem Hormon, das die Oxidation von Blutzucker (Glucose) reguliert, führt beim Menschen zur Zuckerkrankheit.
Insulin wurde zu dieser Zeit allgemein zur Klasse der Eiweißverbindungen, der Proteine, gerechnet.Proteine zählen zusammen mit den Nucleinsäuren zu den biologisch wichtigsten Molekülen. Sie erfüllen bei allen Organismen eine Vielzahl von biologischen Funktionen. So braucht der Mensch die Zufuhr von Proteinen zum Aufbau seiner körpereigenen Proteine, die zum Beispiel in Muskeln, Sehnen, Bindegewebe, Haut, Haaren und Nerven enthalten sind. Auch bei den meisten Enzymen, die in den Organismen eine Vielzahl von Stoffwechselreaktionen herbeiführen, handelt es sich um Proteine. Ebenso spielen sie in der Immunabwehr eine große Rolle.
Die Chemiker waren Anfang der 1940er-Jahre weitgehend der Meinung, dass es sich bei den Proteinen um große Moleküle handelt, bei denen viele so genannte alpha-Aminosäuren kettenförmig miteinander verbunden sind.
Sequenzieren — aber wie?
Die Frage, die sich Anfang der 1940er-Jahre auf dem Proteingebiet stellte, war: In welcher Folge sind welche alpha-Aminosäuren in den spezifischen Proteinen aneinander gereiht? Wie ist ihre so genannte Sequenz aufgebaut? Sanger ging es beim Insulin um die Aufklärung dieser Sequenz und um die Feststellung der Anzahl der Aminosäuren in dieser Verbindung. Als sich Sanger dieser Aufgabe stellte, wusste man allerdings sehr wenig darüber, wie eine solche Sequenzierung erreicht werden könnte.
Der Weg, den Sanger zur Strukturaufklärung von Polypeptidketten einschlug, bestand darin, die endständigen Aminogruppen-NH2 zu markieren. Er fand ein farbiges chemisches Reagenz, das gelb gefärbte Fluordinitrobenzol, das leicht mit solchen Aminogruppen reagierte und zu gelb gefärbten Dinitrophenylderivaten führte. Im zweiten Schritt zerlegte Sanger die gefärbten Ketten mit starken Säuren in die sie aufbauenden Aminosäuren. Eine dieser vielen Aminosäuren war durch den an ihr festsitzenden Dinitrophenylrest gelb gefärbt. Diese gelbe Verbindung wurde isoliert und durch Vergleich mit synthetischen Dinitrophenylderivaten von Aminosäuren identifiziert. Auf diese Weise konnte man die erste Aminosäure in einer Polypeptidkette bestimmen.
Die Anwendung dieser Methode auf das Insulin führte zu der überraschenden Erkenntnis, dass es im Insulin zwei endständige Aminogruppen gibt und dass sich das Insulin folglich aus zwei Polypeptidketten aufbaut. Man erkannte weiterhin, dass diese beiden Ketten unterschiedlicher Länge durch zwei Disulfidbrücken, je zwei Schwefelatome verbunden sind. Um die weitere Strukturaufklärung des Insulins zu vereinfachen, wurden diese Ketten, die als A- beziehungsweise B-Kette bezeichnet wurden, auf chemische Weise getrennt und einzeln sequenziert. Dabei ging Sanger so vor, dass er diese Ketten mit schwachen Säuren beziehungsweise Enzymen wie Pepsin, Trypsin und Chymotrypsin in Fragmente zerlegte, die aus drei, vier oder fünf Aminosäurebausteinen bestanden. Diese wurden wiederum markiert, gespalten und sequenziert. Wie bei einem Puzzle wurden dann aus den identifizierten Fragmenten und Einzelteilen Rückschlüsse auf die Sequenz der Aminosäuren gezogen. Eine wichtige Voraussetzung für Sangers Arbeit war das Aufkommen neuer Trennungsmethoden, die es ermöglichten, das bei der Spaltung von Insulin und Insulinfragmenten entstehende komplizierte Gemisch von Aminosäuren aufzutrennen. Das in den Jahren 1941 bis 1943 von Archer Martin und Richard Synge (Nobelpreis 1952) entwickelte Verfahren der Verteilungs-Chromatographie war eine wichtige Voraussetzung für Sangers Erfolg. Aus diesem Verfahren entwickelte sich die einfacher zu handhabende Methode der Papier- Chromatographie, die bei der weiteren Strukturaufklärung von Proteinen sehr erfolgreich eingesetzt wurde.
Anfang der 1950er-Jahre hatte Sanger mit seinen Mitarbeitern zum ersten Mal ein natürliches Protein vollständig sequenziert. Das Ergebnis fand seinen Ausdruck in der Formel von Rinderinsulin. Danach handelt es sich bei Insulin um ein zweikettiges Polypeptid, dessen A-Kette aus 21 Aminosäureresten und dessen B-Kette aus 30 Aminosäureresten besteht, die über zwei Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Im Ergebnis von Sequenzanalysen der Insuline vom Schwein, Schaf und vom Wal konnte Sanger Mitte der 1950er-Jahre feststellen, dass sich diese Verbindungen nur geringfügig an bestimmten Positionen unterscheiden. Auch beim Insulin des Menschen ist der Unterschied nur minimal.
Die weitere Entwicklung auf dem Gebiet der Sequenzanalyse von Proteinen führte zu anderen, automatisierbaren Abbaumethoden, die den Zeitaufwand für solche Analysen stark verringerten.
Vom Nutzen der Sequenzierung
Die Sequenzanalyse kann für die Erforschung von Krankheiten von großem Nutzen sein. Manchmal wirken sich geringfügige Änderungen in der Sequenz von Proteinen physiologisch nur geringfügig aus. Andererseits kann die Veränderung nur eines Aminosäurerests physiologisch schwer wiegende Auswirkungen haben. So liegt die Ursache für die Blutkrankheit Sichelzellenanämie nur darin, dass an einer bestimmten Stelle im Hämoglobin die Aminosäure Glutamin durch die Aminosäure Valin ersetzt ist.
Für Evolutionsforscher ist die vergleichende Sequenzanalyse von bestimmten Proteinen von Organismen eine wichtige Methode, um bereits abgelaufene biologische Entwicklungen zu erkennen.
Seit Mitte der 1950er-Jahre weiß man, dass Nucleinsäuren die Synthese von Proteinen codieren. Auch für die Erforschung der Zusammenhänge zwischen Nucleinsäuren und Proteinen war die Möglichkeit, Proteine sequenzieren zu können, von großer Bedeutung.
Einen Tag nach der Verleihung des Nobelpreises an Sanger feierte die »New York Times« die Aufklärung der Struktur des Insulins als einen der größten Forschungstriumphe des 20. Jahrhunderts. Wenige Jahre später wandte sich Sanger der Sequenzierung von Nucleinsäuren zu und wurde 1980 für seine erfolgreichen Arbeiten auf diesem Gebiet als bisher einziger Chemiker mit einem zweiten Nobelpreis für Chemie gewürdigt.
A. Neubauer