Schuster

Können wir Natur und Evolution übertreffen? Teil 2: Zum Design neuer Strukturen

Themenschwerpunkt Synthetische Biologie


ÖAWKönnen wir mit der Synthetischen Biologie etwas Besseres bewirken, als das, was Natur und Evolution im Laufe der Jahrmilliarden hervorgebracht haben? Der zweite Teil des Artikels handelt von der Schaffung neuartiger Strukturen, einerseits mit Methoden des Rationalen Design, andererseits mit Methoden, die nach den Prinzipien der biologischen Evolution – Variation und Selektion -arbeiten. Der Artikel basiert auf einem Vortrag des Autors anläßlich des Symposiums über Synthetische Biologie, das von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Mai d.J. veranstaltet wurde und erscheint auf Grund seiner Länge in zwei aufeinander folgenden Teilen.

Peter SchusterZwei grundsätzlich unterschiedliche Strategien zur Erzeugung von Molekülen und Organismen mit vorbestimmten Eigenschaften stehen einander gegenüber:

  • das rationale Design, welches auf unserem gesamten biologischen Wissen über Strukturen und Funktionen von Biomolekülen aufbaut, und
  • das evolutionäre Design, das die Prinzipien der biologischen Evolution zur Selektion von Objekten mit gewünschten Eigenschaften anwendet.

Die Literatur zum Thema Design von Biomolekülen ist enorm umfangreich [1]. Wir müssen uns hier auf wenige Beispiele beschränken, welche die unterschiedliche Anwendbarkeit beider Strategien sowie ihre Stärken und Schwächen aufzeigen.

Rationales Design

Das rationale Design baut auf dem Paradigma der konventionellen theoretischen Strukturbiologie auf:
Paradigma der Strukturbiologie

Inge Schuster

Inge SchusterDr. Inge Schuster, 1941 in Wien geboren, studierte Chemie und Physik an der Universität Wien. Nach einer Tätigkeit als Universitätsassistent und einem Post-doc Aufenthalt am Max-Planck Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen, leitete sie über drei Jahrzehnte ein Forschungslabor des Pharmakonzerns Novartis und hat bis vor kurzem eine Lehrtätigkeit an der FH Wien ausgeübt. Forschungsgebiete: Modelle zu Resorption und Metabolismus von Pharmaka, Steroidhormone, Vitamin D

1959 –1967 Studium der Chemie und Physik an der Universität Wien, Doktorarbeit in Biophysikalischer Chemie (mit radiochemischen Methoden)
1966 –1967 Assistent am Organisch-Chemischen Institut der Universität Wien, NMR-Spektroskopie
1968 – 1969 Postdoctoral Aufenthalt; Max Planck Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen Deutschland, Kinetik des allosterischen Enzyms GAPDH

Peter Schuster

Inge SchusterEm. Univ. Prof. Dr. Peter Schuster, Jg. 1941, studierte an der Universität Wien Chemie und Physik, war langjähriger Ordinarius für Theoretische Chemie und Leiter des Computerzentrums in Wien, Gründungsdirektor des Instituts für Molekulare Biotechnologie in Jena, Vizepräsident und Präsident der ÖAW sowie Mitglied höchstrangiger Akademien. Forschungsschwerpunkte: Theorie der: chemischen Bindung, Dynamik, molekularen Evolution, Struktur/Funktion von RNA und Proteinen, Netzwerke.

1959 – 1967 Studium der Chemie und Physik an der Universität Wien,
Ph.D. sub auspiciis praesidentis
1968 – 1969 Postdoctoral Aufenthalt; Max Planck Insitut für Physikalische Chemie in Göttingen, Deutschland
Von dann an Zusammenarbeit mit Prof. Manfred Eigen
1971 Habilitation in Theoretischer Chemie an der Universität Wien
1972 Berufung Lehrstuhl Theoretische Chemie, TU Berlin
1973 – 2009 o. Prof. Theoretische Chemie, Universität Wien

ScienceBlog in neuem Gewande — Kontinuität und Neubeginn

Inge SchusterVor rund einundzwanzig Monaten wurde der ScienceBlog als erste österreichische Plattform für Naturwissenschaften ins Leben gerufen. Ab heute erscheint dieser Blog (vormals „www.science-blog.at“) auf einer neuen Website im neuen Design. Der Anlaß, der zur Etablierung des ScienceBlogs geführt hat, besteht nach wie vor:

Der Zustand naturwissenschaftlicher Bildung ist in unserem Land äußerst unbefriedigend. Als logische Konsequenz ergibt sich unzureichendes Verständnis für naturwissenschaftliche Fakten und Problemstellungen, das überdies mit Desinteresse gepaart ist. In unserer modernen Welt bilden aber gerade Verständnis und Wissen über technisch/naturwissenschaftliche Vorgänge nicht nur die Grundvoraussetzung dafür, daß der Einzelne eine für ihn optimale Lebensqualität anstreben kann, sondern auch, daß verantwortungsbewußtes ökonomisches und gesellschaftspolitisches Handeln auf allen Ebenen – von der lokalen bis zur globalen – möglich wird.

Dementsprechend verfolgen wir unverändert unsere Ziele, nämlich
„Laien über wichtige naturwissenschaftliche Grundlagen und Standpunkte zu informieren, deren Grenzen in kritischer Weise abzustecken, Vorurteilen fundiert entgegenzutreten und insgesamt – in Form eines zeitgemäßen Diskussionsforums – das zur Zeit sehr geringe, allgemeine Interesse an Naturwissenschaften zu steigern“.

Zur Verfolgung dieser Ziele wird der Blog kontinuierlich weitermachen: durch die Vielfalt der Themen, deren Breite und Tiefe und nicht zuletzt den Qualitätsanspruch an Autoren und Inhalte bleiben wir ein Kaleidoskop der Naturwissenschaft.

(Lesen Sie weiter auf den Folgeseiten:)

Wie Computermethoden die Forschung in den Naturwissenschaften verändern

Peter SchusterIcon MINT
Immanuel Kant (1786) Metaphysische Anfangsgründe der Naturwissenschaft: „…Ich behaupte nur, daß in jeder besonderen Naturlehre nur so viel eigentliche Wissenschaft angetroffen werden könnte, als darin Mathematik anzutreffen ist. …“

Bahnbrechende Entwicklungen im 20. Jahrhundert

Basierend auf außerordentlichen technischen Innovationen im zwanzigsten Jahrhundert haben sich die Methoden in den Naturwissenschaften grundlegend geändert. Neue Techniken haben, aufeinander aufbauend, zu einer Flut an weiteren Entwicklungen und diversesten Anwendungen geführt. Einige der bedeutsamsten neuen Methoden sollen hier in chronologischer Reihenfolge aufgezählt werden:

  1. die Entwicklung hochauflösender spektroskopischer Methoden (beispielsweise Röntgen-, Fluroreszenz-, Kernresonanz-, Elektronenresonanzpektrometrie u.a.) die gleichermaßen ihre Anwendung in der Physik, Chemie und Medizin finden,
  2. die Entwicklung von Mikromethoden zur Bearbeitung und Analyse von (kleinsten) Proben in Physik, Chemie, Biologie und Medizin,
  3. die Revolution in der numerischen Mathematik durch elektronische Rechner (Computer),
  4. die molekulare Revolution in der Biologie, welche vor allem durch neue Techniken zur Sequenzierung von Nukleinsäuren ausgelöst wurde und u.a. zur Sequenzierung des humanen Genoms geführt hat, ebenso wie durch die Kristallisierung von Proteinen, die deren Strukturanalyse und Rückschlüsse auf deren Funktion erlaubte und schließlich durch „lab-on-chip“ Methoden, welche alle Funktionen eines makroskopischen Test-und Analysesystems auf einem nur plastikkartengroßen Chip vereinigen,

Wissenschaftliches Fehlverhalten

Betrüger finden sich auf allen Ebenen – vom Studenten bis hin zum renommierten Institutschef. Fragt man nach dem Warum, so sind – außer dem Wunsch des Doktoranden endlich das Studium abschließen zu können – wohl der Kampf um Förderungen, ein Rittern um eine Tenure-Anstellung oder die Aufnahme in höchste akademische Gremien zu nennen. Dazu kommt noch der persönliche Ehrgeiz, in der Fachwelt besser dazustehen als andere Kollegen, in entscheidenden Gremien mitzuwirken, auf großen Tagungen durch keynote-lectures zu glänzen, vielleicht aber auch nur der Wunsch, persönliche Unfähigkeit zu verschleiern.
Was ist und zu welchem Ende führt Fehlverhalten in den Naturwissenschaften?
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Inge SchusterIcon Politik & GesellschaftWeltweit stehen einflußreiche Repräsentanten aus Politik und Wirtschaft am Pranger, weil sie in ihren Doktorarbeiten – zumeist in geistes- und sozialwissenschaftlichen Fächern – fremde Arbeiten plagiiert haben. Auch in den Naturwissenschaften lassen falscher Ehrgeiz und/oder eigenes Unvermögen Forscher zu Betrügern werden. Deren Verhalten ist nicht nur moralisch inakzeptabel, es stellt auch die Integrität von Forschung und deren für die Zukunft unserer Gesellschaften essentiellen Ergebnisse in Frage. Dieser Artikel analysiert, wie und in welchem Ausmaß wissenschaftliche Fälschungen zustande kommen und weist auf Initiativen im Kampf gegen den Wissenschaftsbetrug hin.

Was ist los mit den obersten Repräsentanten unserer Staaten, angefangen von den Präsidenten Ungarns und Rumäniens bis hin zum übermächtigen „Zaren“ Rußlands, von u.a. für Bildung zuständigen Ministern bis hin zu „Spitzen“ der Gesellschaft? Offensichtlich haben diese ihre Laufbahn auf Betrug aufgebaut, ihre Doktorarbeiten und damit ihre Karriere-begründenden, akademischen Titel durch Plagiieren fremder Arbeiten geschaffen, sich also „mit fremden Federn geschmückt“.

Was bringt denn eigentlich ein Doktortitel? Ist er bloß ein Statussymbol? Der Politikwissenschaftler Gerd Langguth hat dies klar fomuliert2: „Gerade im bürgerlichen Lager werde jemandem, der einen Doktortitel trägt, einfach mehr Respekt entgegengebracht. Man wird ehrfürchtiger angehört und angeschaut.“ und "Wenn der Doktortitel aberkannt wird, kann auch leicht die Karriere zu Ende sein".

Grundlagenforschung in Österreich: Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses

Peter SchusterIcon Politik & GesellschaftBesondere Bedeutung kommt Exzellenzstrategien bei der Rekrutierung und Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses zu. Erfolg verspricht die kompromisslose Kombination von drei Faktoren:

(i) möglichst frühe Erkennung von Talenten,

(ii) Förderung durch gezielte Herausforderungen und aktive Betreuung und

(iii) Ausbildung in Institutionen der Weltspitze.

Grundlagenforschung in Österreich: Rekrutierung von Spitzenkräften

Peter SchusterIcon Politik & GesellschaftEin oft gehörter Ausspruch sagt: „Erstklassige Wissenschaftler rekrutieren nur erstklassige Wissenschaftler, zweitklassige rekrutieren nur drittklassige“. Die Folgen dieses Faktums sind überall zu sehen, besonders ausgeprägt in Ländern, in denen Wissenschaft kein besonderes Prestige besitzt. Eine mittelklassige Forschungsstätte kann nicht mit Hilfe sondern nur gegen den Willen der dort tätigen Wissenschaftler zu einer Spitzeneinrichtung aufgerüstet werden.

Eine Konsequenz davon ist den alljährlich durchgeführten Rankings der Universitäten zu entnehmen: Die Spitzenplätze – und dies erinnert an die berühmtesten Opernhäuser – werden stets von denselben Lehr- und Forschungseinrichtungen mit kleinen Verschiebungen innerhalb der Spitzengruppe eingenommen. Die heimischen Universitäten besetzen bestenfalls Ränge der Mittelklasse und die Tendenz ist vor allem für die Bewertung der großen Universitäten weiterhin fallend.

(In dem vor kurzem publizierten ‚Academic Ranking of World Universities 2010’ liegt von den österreichischen Universitäten eine in den Rängen 151-200, zwei liegen in den Rängen 201-300, drei in den Rängen 301-400 und eine liegt schließlich in den Rängen 401-500. Gegenüber 2009 haben sich zwei Universitäten von den Rängen 401-500 in die Ränge 301-400 verbessert. Das Ranking 2010 der renommierten privaten Firma QS-Quacquarelli Symonds Ltd. sieht ähnliche Positionen für die österreichischen Universitäten vor. Im davon unabhängigen auf etwas anderen Kriterien basierenden Ranking 2010 der englischen Zeitung Times besetzen die beiden besten österreichischen Universitäten die Ränge 187 und 195.)

Grundlagenforschung in Österreich: Erkennen von Exzellenz

Peter SchusterIcon Politik & GesellschaftDie Bewertung von innovativen Projekten ist zweifellos schwierig. Eine Förderung von Grundlagenforschung, die in wissenschaftliches Neuland vordringt, ist ohne einen hohen Vertrauensvorschuss in die Forscher unmöglich. Das Vertrauen in die Wissenschaft ist in den USA besonders hoch und deutlich stärker als in Kontinentaleuropa: Im Jahre 2009 ergab eine breit angelegte Umfrage, dass die Wissenschaftler im Vertrauen der Bürger hinter den ‚Firefightern‘ an Stelle zwei stehen1, Politiker und Banker dagegen die Schlusslichter bildeten.

Weltweit wird mehr Vertrauen den Wissenschaftlern entgegengebracht, die bereits Erfolge verzeichnen können. Aus diesem Grund ist es von vorrangiger Bedeutung, Nachwuchswissenschaftlern schon sehr früh in ihrer Karriere die Chance zu unabhängiger, wissenschaftlicher Arbeit zu geben – ein Gesichtspunkt, auf den in der Folge noch eingegangen werden wird.

Forschungsleistung muss selbstverständlich auch in der Grundlagenforschung beurteilt werden können. Die Bürger verlangen mit Recht einsichtige Kriterien der Begutachtung des Erfolges und der Bewertung der Ergebnisse. Politiker und Referenten, welche über die verhältnismäßig hohen Förderungssummen zu entscheiden haben, legen großen Wert auf einfach handhabbare, quantitative Indikatoren. Diese gibt es mittlerweile auch auf der Basis einer Bewertung der Zahl der Publikationen und der Publikationsmedien, in welchen die Wissenschaftler über ihre Ergebnisse berichten. Auch das Echo, welches die Publikationen in der wissenschaftlichen Community finden, kann in Form von bibliometrischen Maßzahlen quantifiziert werden (z.B.: "Impact factor" - Gesamtzahl der Zitierungen eines Autors, "Hirsch factor" - Zitierungshäufigkeit der Publikationen).

Grundlagenforschung in Österreich: Exzellenzstrategie – Mehr als ein Lippenbekenntnis?

Peter SchusterIcon Politik & GesellschaftForschung wird als eine Ware oder besser als ein Produkt verstanden, welches die Öffentlichkeit dem Forschenden oder der Institution, in welcher der Wissenschaftler arbeitet, durch Zuwendungen „abkauft“. Der Wert des Produktes setzt sich aus verschiedenen Beiträgen zusammen: aus dem Kulturgut Wissenschaft, aus dem Prestigegewinn des Landes bei erstrangiger Spitzenforschung und aus dem kommerziellen Nutzen im Falle erfolgreicher Anwendung der Ergebnisse. Von diesen Werten und ihrer Mehrung durch gezielte Strategien soll am Beispiel der österreichischen Grundlagenforschung in Mathematik und Naturwissenschaften die Rede sein.

Obwohl die Problematik in anderen Wissensgebieten ähnlich gelagert ist, gelten dort zumeist andere Maßstäbe der Bewertung. Grundlagenforschung wird hier als selbstbestimmte Forschung verstanden, im Unterschied zu Forschung, die auf vorgegebene Ziele ausgerichtet ist. Exzellente Forschung ist heute überall anwendungsoffen, sie kann mögliche Anwendungen in der nahen Zukunft erkennen lassen, oder zur Zeit anwendungsfern erscheinen. Langfristige Prognosen über mangelnde Nutzbarkeit von Forschungsergebnissen haben sich nahezu immer als falsch herausgestellt. Selbst abstrakte Gebiete der Mathematik, wie die Zahlentheorie, finden wichtige Anwendungen.

Zahlen und Fakten

Wissenschaft und Forschung nehmen in den Gesellschaften aller entwickelten und an Entwicklung interessierten Länder einen breiten Raum ein. Die öffentliche Hand teilt den Budgetposten Bildung und Wissenschaft beachtliche Summen zu. Seit dem Jahre 1998 sind in Österreich die Ausgaben des Bundes zur Finanzierung von Forschung und Entwicklung ständig gestiegen. Auch die Bundesländer haben ihre Ausgaben auf diesem Sektor erhöht. Ungeachtet der Finanz- und Wirtschaftkrise gab es auch in den Jahren 2009 und 2010 Steigerungen in den Ausgaben des Bundes, welche allerdings im Wesentlichen nur den Rückgang der industriellen Forschungsausgaben kompensierten (siehe Tabelle). Der Auslandsbeitrag blieb nahezu konstant und so ergab sich in Summe eine geringe Steigerung der Forschungsquote in Prozenten des Bruttonationalprodukts (BIP).

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