CHEMIENOBELPREIS 1982: AARON KLUG

Chemienobelpreis 1982: Aaron Klug

 

Der Physiker erhielt den Nobelpreis für »die Entwicklung der kristallographischen Elektronenmikroskopie und die Strukturaufklärung biologisch wichtiger Protein-Nucleinsäure-Komplexe«.

 

 Biografie

 

Sir (seit 1988) Aaron Klug, * Zelvas (Litauen) 11. 8. 1926; 1928 Emigration mit der Familie nach Südafrika, 1952 Promotionan der University of Cambridge (England), 1954-61 Tätigkeit am Birkbeck College (London), Department of Physics, Crystallo-graphy Laboratory, 1962 am Medical Research Council Laboratoryof Molecular Biology (Cambridge), 1986 Direktor des Laboratory of Molecular Biology in Cambridge.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Im Jahr 1954 erhielt der Physiker Aaron Klug am Birkbeck College in London die Möglichkeit, zusammen mit der Kristallographin Rosalind Franklin an der detaillierten Strukturaufklärung des Tabakmosaikvirus (TMV) durch Röntgenstrukturanalyse mitzuwirken.

 

 Die Entdeckung der Proteindoppelscheibe des Tabakmosaikvirus

 

Im TMV ist nur ein Proteintyp vertreten.In einem einzigen stäbchenförmigen Virusteilchen lagern 2100 gleiche Proteinmoleküle (= Proteinuntereinheiten) helixartig aneinander und bilden eine Art Zylinder, in dem innen ein Ribonucleinsäuremolekül strangförmig eingebettet ist. Die die genetische Information tragende Ribonucleinsäure (RNS; auch RNA, das A steht für das englische Wort Acid für Säure) wird nach außen durch die Proteinhülle abgeschirmt.

 

Nach dem frühen Tod von Rosalind Franklin 1958 setzte Klug in Zusammenarbeit mit Kenneth Holmes die röntgenstrukturanalytischen Arbeiten am TMV fort. Bestimmte Schwierigkeiten bei der detaillierten Röntgenstrukturanalyse des TMV versuchte Klug dadurch zu überwinden, dass er die Proteinhülle und den RNS-Strang voneinander trennte und die beiden Bestandteile einzeln untersuchte. Bei Versuchen, das abgetrennte Protein zu kristallisieren, konnten Klug und seine Mitarbeiter eine bedeutende Beobachtung machen. Sie entdeckten ein Teilchen, das sie Proteindoppelscheibe nannten. Dieses Proteinaggregat mit einem Molekulargewicht von 600 000 besteht aus zwei übereinander liegenden Proteinringen, die jeweils 17 Proteinuntereinheiten aufweisen. Diese Scheibe ist ein notwendiges Zwischenprodukt für den Aufbau des Virus, das sowohl die Voraussetzung für das Starten des Virusaufbaus als auch für die spezifische Wechselwirkung mit der in die Proteinhülle einzubauenden RNS ist.

 

 Die Ausarbeitung der kristallographischen Elektronenmikroskopie

 

Die detaillierte Strukturaufklärung der Proteindoppelscheibe mit Röntgenmethoden nahm etwa zwölf Jahre in Anspruch. Die Untersuchung dieser großen Struktureinheit erforderte auch die technische Weiterentwicklung von Röntgengeräten und Geräten zur Registrierung und Weiterverarbeitung der in riesigen Mengen anfallenden Daten.

 

Je größer die komplexen Strukturen wurden, deren Strukturaufklärung Klug in Angriff nahm, umso schwieriger wurde es, mit der Methode der Röntgenstrukturanalyse allein, die Strukturen detailliert aufzuklären. Schon Anfang der 1960er-Jahre begann Klug, die Methode der Elektronenmikroskopie zur Strukturaufklärung der von ihm untersuchten Molekülaggregate heranzuziehen. Aber auch diese Methode hatte ihre Grenzen. Es gab Ergebnisverfälschungen durch die notwendige Präparation der Objekte und durch auftretende Strahlenschäden an diesen Objekten. Die zweidimensionalen elektronenmikroskopischen Bilder zeigten außerdem zu wenig Kontrast, weil die in den Proben vorkommenden Atome eine zu niedrige Ordnungszahl aufwiesen. Außerdem führte die große Tiefenschärfe der Elektronenmikroskope dazu, dass alle Strukturen entlang der Richtung des Elektronenstrahls übereinander abgebildet wurden. Klug charakterisierte in seinem Nobelvortrag die Ausgangssituation so: »Wir wussten zwar, wonach wir suchten, doch wurde uns schnell klar, dass wir überhaupt nicht verstanden, was wir in den Bildern sahen.« Klug und seine Mitarbeiter gaben jedoch nicht auf. Sie entwickelten in jahrelanger Arbeit die kristallographische Elektronenmikroskopie. Zu den methodischen Fortschritten, die dabei erreicht wurden, zählen Korrekturen der Aufnahmebedingungen, Trennung der von den verschiedenen Schichten der untersuchten Objekte verursachten Bildkomponenten und die digitale Bildverarbeitung mithilfe von Computern. Durch die modifizierte Übertragung mathematischer Auswertungsmethoden der Röntgen-Kristallstrukturanalyse auf die Auswertung elektronenmikroskopischer Aufnahmen gelang es, zu dreidimensionalen Rekonstruktionen der untersuchten biologischen Systeme wie Viren, Phagen, Enzyme und Organellen zu kommen.

 

 Schwerpunkt: die Struktur des Chromatins

 

Einen herausragenden Platz innerhalb der von Klug und seinen Mitarbeitern untersuchten biologischen Systeme nimmt das Chromatin ein. Diesen Nucleinsäure-Protein-Komplex erhält man bei der Extraktion der Chromosomen von Eukaryoten (= Organismen, deren Zellen einen Zellkern und Organellen besitzen, dazu gehören bestimmte Einzeller, Pflanzen, Tiere und der Mensch). In diesem genetischen Material des Zellkerns ist die DNS mit einer Gruppe von Proteinen, den Histonen, verbunden. Chromatin hat eine Faserstruktur. Eine sich auf der Chromatinfaser wiederholende Einheit sind die Nucleosomen, die wie Perlen in gewissen Abständen aneinander gereiht sind.

 

In den Nucleosomen ist die DNS um die Histongruppe geschlungen. Auf diese Weise erfahren lange DNS-Stränge eine dichtere Packung. Verbunden werden die Nucleosomen durch DNS-Stücke, die man als Linker (Bindeglied) bezeichnet. Die Menge an DNS in den Nucleosomen unterschiedlicher eukaryotischer Organismen bewegt sich in dem Bereich von 160-240 Nucleotid Basenpaaren. Mithilfe des Enzyms Mikrokokken- Nuclease lassen sich Nucleosomen verschiedener Herkunft auf bis zu 146 Basenpaare abbauen. Dieser stabile Nucleosomenrumpf, Core (Kern), enthält außer DNS noch acht Histonmoleküle (Histonoktamer). Röntgenstrukturanalytische und elektronenmikroskopische Untersuchungen von Klug und John Finch zeigten, dass es sich bei einem Core um ein flaches Teilchen (11 x 11 x 5,7 nm) handelt. Die DNS windet sich so um das Histonoktamer, dass eine linksgängige Superhelix entsteht. Diese Untersuchungen gaben Antworten darauf, wie DNS im Zellkern gepackt ist. Normalerweise hat ein DNS-Strang von 200 Nucleotid-Basenpaaren in Lösung eine Länge von 68 nm. Diese Menge wird in ein Nucleosom von nur 10 nm Durchmesser gepackt. Das Maß der Verdichtung, das Packungsverhältnis, liegt hier bei etwa 7.

 

Die Bildung der Nucleosomen ist die erste von mehreren Stufen der Packung von DNS. Klug und Finch haben sich auch um die Aufklärung der zweiten Stufe der DNS-Packung verdient gemacht. Als zweite Stufe der Chromatinorganisation entdeckten sie eine helical gewundene Nucleosomenfaser, die etwa sechs Nucleosomen pro Windung enthält. Diese Struktureinheit erhielt den Namen Solenoid, hier wird ein Packungsverhältnis von etwa 40 erreicht.

 

Ein wichtige Voraussetzung für die durch Klug erreichten tiefen Einblicke in molekularbiologische Strukturen und Prozesse war das Zusammenführen von unterschiedlichen Forschungsrichtungen und -methoden zur Lösung der gewählten, sehr komplexen Aufgaben. Disziplinäre Grenzen existierten nicht für ihn. Er verstand es außerdem hervorragend, Mitarbeiter entsprechend ihren Fähigkeiten einzusetzen.