Das Labor im Computer

Chemiker, die heutzutage neue Medikamente entwickeln, müssen nicht mehr unbedingt Laborkittel und Schutzbrille anziehen: Viele Experimente finden am Schreibtisch statt. Computermodelle simulieren chemische Reaktionen zwischen zwei oder mehr Molekülen. Sie sagen voraus, welche Substanzen voraussichtlich welche Wirkung haben.

Drei Forscher, die solche Computermodelle entwickelt und verfeinert haben, waren dem Nobelpreiskomitee am Mittwoch (09.10.2013) den diesjährigen Chemienobelpreis wert. Das sind Martin Karplus von der Harvard-Universität, Michael Levitt von der der kalifornischen Stanford-Universität und Arieh Warshel von der Universität von South California in Los Angeles.

"Ich bin begeistert", sagt Thomas Lengauer vom Max-Planck-Institut für Informatik in Saarbrücken. Er forscht in der Bioinformatik und kennt Michael Levitt persönlich. "Er hat das, was die besten Wissenschaftler auszeichnet: eine Mischung aus Neugier, kompromissloser Suche nach der Wahrheit und Bescheidenheit. Die besten Wissenschaftler setzen das Thema ins Zentrum und nicht ihre Person - und so einer ist Michael Levitt."

Leben ist Chemie

Computermodelle seien heute für die Forschung "absolut unerlässlich", sagt Lengauer: "Lebende Systeme sind chemische Maschinen: Alles, was wir tun, wie wir uns bewegen, dass wir denken, sehen und fühlen können, geht zurück auf chemische Reaktionen."

Solche Reaktionen simulieren zu können, ermöglicht es beispielsweise, sehr viele Wirkstoffmoleküle zunächst im Computer auszutesten und nur die vielversprechenden auch tatsächlich herzustellen. Denn Laborexperimente dauern nicht nur lange, sie sind auch viel teurer als Simulationen im Rechner. "Wir kennen die Gesetzmäßigkeiten, mit denen solche Reaktionen ablaufen, und wir können sie im Rechner nachstellen." Überflüssig werden Laborexperimente dadurch aber nicht - sie lassen sich nur viel gezielter durchführen.

Im Computer können Forscher auch Medikamente verbessern. Zum Beispiel, indem sie schauen, wie man ein Molekül verändern muss, damit es besonders gut an ein Eiweiß im Körper binden kann. "Oder sie können untersuchen, was aus den Medikamenten im Körper wird", sagt Marcus Weber, Wissenschaftler am Zuse-Institut in Berlin. "Wenn ich zum Beispiel wissen will, wie ein Schmerzmittel in der Leber abgebaut wird, dann greife ich auf Methoden zurück, die von den drei Nobelpreisträger initiiert wurden."

Inzwischen sind die Computermodelle so gut geworden, dass die Genauigkeit der Simulationen bereits sehr nah an die Realität heranreicht. Genau das hat das Nobelpreiskomitee jetzt mit der Auszeichnung gewürdigt.

Medikamente gegen HIV simulieren

Ein prominentes Beispiel für die Bedeutung von Computersimulationen sind Medikamente, die den HI-Virus an seiner Vermehrung im menschlichen Körper hindern, die HIV-Proteaseinhibitoren.

Die Medikamente binden an das Eiweiß Protease, das das Virus für seine Vermehrung braucht. Das Virus kann den Medikamenten aber geschickt entgehen, indem es das Eiweiß durch Mutationen im Erbgut verändert, so dass das Medikament ins Leere greift.

"Aber wieso haben die Eiweißänderungen diese Konsequenz? Das ist eine Sache, die man experimentell überhaupt nicht untersuchen kann", sagt Lengauer. Dafür braucht man Computersimulationen.

Blitzschnell und gleichzeitig langsam

Computermodelle können auch die Festigkeit von Materialien berechnen, die Photosynthese in einer Pflanze nachspielen oder dem Chemiker eine Methode vorschlagen, mit der er am besten sein Produkt im Labor reinigen sollte. Auch bei der Entwicklung von Pflanzenschutzmitteln spielen sie in der Industrie eine große Rolle.

Computermodelle, um beispielsweise zu berechnen, wie ein Wirkstoff an einen Rezeptor bindet, gibt es schon länger. Die besondere Leistung der Nobelpreisträger bestand darin, auch chemische Reaktionen berechenbar zu machen, also Vorgänge, bei denen Moleküle verändert werden.

Das ist schwierig, denn chemische Reaktionen passieren unglaublich schnell, erklärt Marcus Weber: "Das sind Zeiträume von Femtosekunden, also eine Null mit 15 weiteren Nullen hinter dem Komma." Gleichzeitig finden aber auch Vorgänge statt, die viel langsamer sind als die chemische Reaktion, etwa die Annäherung von zwei Eiweißen aneinander. "Dieser Zeitskalaunterschied ist so spannend", sagt Weber. "Und er war auch spannend für die Nobelpreisträger."

Mit dem Computer lassen sich ultraschnelle Prozesse beobachten, die sich ansonsten unserem Auge komplett entziehen würden, sagt Lengauer. "Wir benützen die Computersimulation also als zeitauflösendes Mikroskop, um essenzielle molekulare Vorgänge im Körper, in der Pflanze oder in chemischen Systemen zu verstehen."