Die Evolution ist eine Wundertüte. Sie hat Urbakterien hervorgebracht, die sich im hundert Grad warmen Wasser pudelwohl fühlen, Quallen, die sich den Weg durch den Ozean leuchten – und natürlich extrem komplexe Lebewesen wie den Menschen. Hunderttausende chemische Reaktionen laufen in jeder Millisekunde in unseren Körpern ab. Und das nur, weil bestimmte Proteine, Enzyme, sie katalysieren. Es sind diese Eiweißmoleküle, die, wenn man so will, am Grunde alles Lebens liegen und die doch nur durch Zufall, durch die Evolution so sind wie sie sind. Das Problem: Sie brauchen oft Jahrtausende, um sich in dem, was sie bewirken, zu verbessern.

Nicht schnell genug für das, was die diesjährigen Chemienobelpreisträger mit solchen Enzymen vorhatten. Sie sahen, dass nichts die biologischen Bausteine so präzise verändert und so mächtig macht wie die Evolution selbst. Gleichzeitig hatten sie keine Lust zu warten, bis die Natur von allein Varianten hervorbrachte, die sich optimal in Medizin oder Industrie nutzen lassen würden. Die Biochemikerin Frances Arnold auf der einen Seite und der Biologe George Smith und der Molekularbiologe Sir Gregory Winter auf der anderen werden mit der höchsten Auszeichnung in der Wissenschaft geehrt, weil sie die Macht des evolutionären Zufalls gezielt nutzten. Damit legten sie den Grundstein für eine grünere Chemie, Biokraftstoffe und ganz neue, kraftvolle Medikamente: hochwirksame Antikörper. Sie ließen die Evolution in Reagenzgläsern im Zeitraffer ablaufen. Was in der Natur Jahrtausende dauert, passiert im Labor nun in Stunden.

Die Grundlage für Arzneien mit Antikörpern

Enzyme sind hochkomplexe Eiweißmoleküle, die chemische Reaktionen in Gang setzen – mit einer Vielzahl an Aufgaben: Sie zerschlagen Giftstoffe, damit die Zellen des menschlichen Körpers nicht leiden, sie kleben Zuckermoleküle aneinander, um Energiespeicher anzulegen, oder stellen giftige Stoffe her, um Krankheitserreger zu zersetzen. Enzyme bestehen aus Ketten von meist mehreren Hundert Aminosäuren. Ihre Baupläne sind in Genen festgehalten. Werden sie von Bakterien oder menschlichen Zellen hergestellt, wickeln und verdrehen sie sich viele Male, ehe sie wirklich wirksam werden. Über Jahrmillionen veränderten sich die Gene und damit auch die Funktion solcher Enzyme. Egal ob in Menschen, Stachelschweinen oder den Malariaparasiten – stets überlebten diejenigen am besten, deren Enzyme besonders gut arbeiteten oder zumindest nicht schädlich waren. Die Evolution, wenn man so will, ist ständig damit beschäftigt, bessere Enzyme hervorzubringen.

Das stellte auch die Amerikanerin Frances Arnold fest. Sie machte ihre preiswürdige Forschung am renommierten California Institute for Technology (Caltech), wo sie bis heute arbeitet. Als sie in den Achtzigerjahren mit dieser Arbeit begann, war man sich der Macht der Enzyme in der Chemie bereits bewusst. Mit viel Kopfzerbrechen versuchte man die Struktur der Enzyme zu durchdringen und sie gezielt zu verändern, um sie wirksamer zu machen. Etwas, das Arnold später als "einen ziemlich arroganten Ansatz" bezeichnen sollte. Sie ging einen anderen Weg und nutzte die Kraft des evolutionären Zufalls, um bessere Enzyme zu finden. Etwas, das später "gerichtete Evolution" genannt wurde.

Die Macht des Zufalls gezähmt

Arnolds Forschung begann mit dem Enzym Subtilisin, das wie eine Schere andere Proteinketten zerschneidet und beispielsweise in Waschmitteln enthalten ist (FASEB Journal: Arnold, 1993). Sie versuchte, das Enzym so zu verändern, dass es in einem bestimmten Lösungsmittel, worin es bis dahin nur leidlich funktionierte, seine volle Kraft entfaltete. Um das zu erreichen, isolierte die Biochemikerin das Gen von Subtilisin und sorgte dafür, dass dessen Erbgut zufällig mutierte – ganz so wie im Laufe der Evolution üblich. Dann untersuchte sie die entstandenen neuen Proteine daraufhin, wie gut sie wirkten, und wählte die besten aus. Die Selektion ist neben dem Zufall der zweite Treiber der Evolution. Diesen schrittweisen Prozess wiederholte die Forscherin vier Mal und legte dabei eine Bibliothek der mutierten Enzyme an. Am Ende stand ein Eiweißkomplex, der 256-mal so aktiv war wie das Ausgangsenzym (siehe Abbildung). Arnold hatte die Evolution nachgebaut.

Das Prinzip der gerichteten Evolution funktioniert wie folgt: (1) In dem Gen für das zu verändernde Enzym werden zufällige Mutationen ausgelöst. (2) Die Gene werden in Bakterien eingefügt, die diese als Vorlage nutzen und zufällig mutierte Enzyme produzieren. (3) Es gilt, die veränderten Enzyme zu testen. Forscherinnen und Forscher wählen jene aus, welche die gewünschte chemische Reaktion am effizientesten vorantreiben. Was nicht gut ist, wird entsorgt. (4) Anschließend fügt man neue zufällige Mutationen in die Gene der gewählten Enzyme. Der Kreislauf beginnt von vorn. © ohan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Die Vorgehensweise, die sie vorschlug, ist die bis heute gültige. Arnolds Lebenswerk ist es, sie mit anderen Forscherinnen und Forschern perfektioniert zu haben. Einer davon ist William Stemmer, der bereits 2013 verstorben ist und wohl auch deswegen heute nicht geehrt wurde. Denn Nobelpreise werden den Statuten zufolge nicht posthum vergeben. Stemmer führte das DNA-Shuffling ein. Bei diesem Verfahren wird die DNA, also das Erbgut, ähnlicher Enzyme, jedoch aus verschiedenen Organismen für die gerichtete Evolution benutzt.

Enzyme, die dank gerichteter Evolution entstanden sind, werden schon heute in vielen Bereichen von Industrie und Medizin angewendet: in der Herstellung von Biokraftstoffen, in der umweltfreundlichen Entwicklung von Chemikalien, in der Entgiftung von Industrieabfällen oder zur Herstellung von Arzneimitteln. Und genau dort kommen die anderen beiden diesjährigen Chemienobelpreisträger ins Spiel: der Amerikaner George P. Smith und der Brite Sir Gregory P. Winter.