Manfred Eigen: Von "unmessbar" schnellen Reaktionen zur Evolution komplexer biologischer Systeme

Do, 04.05.2017 - 10:04 — Inge Schuster

In wenigen Tagen feiert Manfred Eigen seinen 90. Geburtstag. Der langjährige ehemalige Direktor am Max-Planck Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen ist einer der vielseitigsten deutschen Naturwissenschafter: Seine bahnbrechende Arbeiten haben das Tor zu bis dahin für unmessbar schnell gehaltenen chemischen Reaktionen und deren Mechanismen geöffnet. Seine Fragen zur Evolution haben zu Theorien der Selbstorganisation komplexer Moleküle geführt und daraus zur evolutiven Biotechnologie, einem neuen, kommerziellen Zweig der Biotechnologie. Eigen hat zahllose renommierteste Auszeichnungen und Ehrungen erhalten, die Krönung war der Nobelpreis für Chemie im Jahr 1967 . Mein Mann und ich hatten das Glück als Postdocs an Manfred Eigens Institut arbeiten zu können.

Manfred Eigen wird 90!

Abbildung 1. Manfred Eigen 1992

Sein Name ist auch vielen Nicht-Wissenschaftern geläufig, Manfred Eigen ist zweifellos ein Topstar unter den Naturwissenschaftern - enorm vielseitig, unkonventionell, ungemein kreativ und visionär.

Manfred Eigen blickt auf einen ungewöhnlichen Werdegang zurück. Am 9. Mai 1927 in Bochum als Sohn eines Kammermusikers geboren, wuchs er in einem Haus auf, das voll von Musik war, Musik, die ihn faszinierte, die ihn bald konzertreif Klavier spielen ließ. Gleichzeitig entstand aber auch sein Interesse an der Chemie; er experimentierte in einem kleinen Labor, das er sich daheim eingerichtet hatte. Dieses Leben wurde durch den 2. Weltkrieg abrupt unterbrochen: als er 15 Jahre alt war, wurde er als Luftwaffenhelfer eingezogen, im April 1945 von amerikanischen Truppen am Salzburger Flughafen gefangen genommen. Zu Kriegsende kam er frei und wanderte zusammen mit einem Freund zu Fuß nachhause: von Salzburg nach Bochum - rund 1000 km weit.

Göttingen - Hochburg der Naturwissenschaften

Die Frage, ob er nun Musiker oder Naturwissenschafter werden wolle, entschied der Achtzehnjährige zugunsten der Naturwissenschaften, die Musik sollte bis heute sein Hobby bleiben. Manfred Eigen machte sich im Sommer 1945 (größtenteils zu Fuß) nach Göttingen auf - damals wie heute eine Hochburg der Naturwissenschaften -, um an der dortigen Universität Physikalische Chemie zu studieren. Die Matura als Voraussetzung zum Studium hatte er (ohne weiteren Schulbesuch) als mündliche Prüfung abgelegt. Unter Anleitung des renommierten Physikochemikers Arnold Eucken entstand die Doktorarbeit über die "spezifische Wärme von schwerem Wasser " (D2O), Bestimmungen, für die Manfred Eigen ein spezielles Messgerät (ein hochpräzises Kalorimeter) baute, die ihm Aussagen über die Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen und später zwischen Ionen in Lösung erlaubten.

Die Relaxationskinetik

Bereits um 1953 hatte Manfred Eigen die bahnbrechende Idee, wie bis dahin für unmessbar schnell gehaltene chemische Reaktionen - z.B. Neutralisierungsreaktionen - gemessen werden könnten. Mischte man vordem miteinander reagierende Komponenten zusammen und wollte die Produktbildung verfolgen, so nahm der Mischvorgang bereits 1 Millisekunde in Anspruch - schnellere Reaktionszeiten blieben damit unmessbar. Eigen umging das Mischproblem, er begann mit der fertigen Mischung und störte deren Gleichgewicht durch plötzliche Änderung - d.i. einer Änderung mit bis zu weniger als 1 Milliardstel Sekunde Dauer - eines physikalischen Parameters wie Druck, Temperatur oder elektrischem Feld. Das System ging nun – relaxierte – in das neue Gleichgewicht; aus dieser sogenannten Relaxationskinetik ließen sich die kinetischen Parameter auch der schnellsten Reaktionen relativ einfach bestimmen.

Eigen veröffentlichte diese Entdeckung 1954; er hatte nun bereits ein Labor am neu gegründeten Max-Planck Institut für Physikalische Chemie in Göttingen, das aus dem ehemaligen Kaiser Wilhelm Friedrich Institut in Berlin entstanden war. Der Belgier Leo de Maeyer stieß zu der jungen Gruppe und trug wesentlich zur Weiterentwicklung der Relaxationsmethoden bei. Die neuen Techniken machte Furore. Elementarschritte in anorganischen, organischen und auch schon biochemischen Prozessen konnten nun erstmals gemessen werden, die Mechanismen der Prozesse analysiert werden. 1958 wurde Eigen zum Direktor des Max-Plack Instituts für Physikalische Chemie berufen. Er war nun bereits begehrter Vortragender in renommiertesten Instituten und auf internationalen Kongressen, an sein Institut kamen Scharen von Besuchern, die die neuen Techniken sehen, lernen und für ihre Fragestellungen anwenden wollten. Gerade 40 Jahre alt, wurde er 1967 für seine "studies of extremely fast chemical reactions, effected by disturbing the equilibrium by means of very short pulses of energy" mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

In den ersten Monaten danach, kamen alle, die in der Wissenschaft Rang und Namen hatten in Göttingen vorbei, hielten Vorträge und standen für Diskussionen bereit.

Wie wir Göttingen erlebt haben

Unsere Postdoc-Zeit hatte mit 1.1.1968 begonnen, von da an konnten wir den Aufbruch der molekularen Wissenschaften an vorderster Front und in einem unglaublich stimulierenden Klima miterleben.

Unmittelbar nach unserem Eintritt fand ein sogenanntes Winterseminar in Sölden statt. Dieses ließ uns beim Schifahren, beim Essen und bei den Vorträgen unsere neuen Kollegen kennenlernen und machte uns mit ihren Interessen und Forschungsgebieten vertraut (bis zum heutigen Tag gab es bereits mehr als fünfzig dieser Seminare). Dazu gab es jeden Mittwoch nachmittags "Teestunden", in denen zwei bis drei von uns Jungforschern ihre Ergebnisse präsentierten, dabei - vor allem von Manfred Eigen -nach Strich und Faden kritisiert wurden und so enorm viel lernten (da alle kritisiert wurden, war dies für den Einzelnen kein Problem).

In Anbetracht der damals noch in den Kinderschuhen steckenden Molekularbiologie konstatierte Manfred Eigen sehr bald: "wir alle müssen mehr über Molekularbiologie lernen" und organisierte ein von der (1964 gegründeten) European Molecular Biology Organization (EMBO) finanziertes Meeting im Schloss Elmau zum Thema: "Physical and Chemical Characterization of Biological Macromolecules". Es müssen an die 150 Personen daran teilgenommen haben, darunter rund 30 der damals prominentesten Wissenschafter als eingeladene Vortragende (u.a. F. Crick, F. Lynen, L. Onsager, J. Wyman, kurzfristig J. Monod, Ch. Longuett-Higgins, H. Gutfreund, L. de Mayer, D. Crothers u.v.a.m.). Eine Kollage (Abbildung 1) soll an dieses Treffen erinnern.

Abbildung 2.Das EMBO-Meeting "Physical and Chemical Characterization of Biological Macromolecules"1968. In der Mitte steht Manfred Eigen. Links ganz unten: Francis Crick und Leo de Maeyer, Links daneben: Lars Onsager, links darüber: Ruthild Oswatitsch-Eigen und Manfred Eigen ,links oben: Peter Schuster und Hermann Träuble. Rechts: Shneior Lifson und Leo de Maeyer, 3 Gruppenbilder.

In den zwei Jahren lernten wir sehr viel. In der Zusammenarbeit mit dem Biochemiker Kaspar Kirschner, der aus der Schule von Feodor Lynen kam, begriff ich nun erst, wie man seriöse Biochemie betreibt; ich habe diese Erfahrungen später an meine Mitarbeiter und Studenten weitergegeben. Aus unserer Zusammenarbeit entstanden in kurzer Zeit fünf Arbeiten, die zeigten, dass kinetische und Gleichgewichts-Untersuchungen an dem Glykolyse-Enzym GAPDH in Einklang mit dem von Eigen und Kirschner postulierten Konzept einer allosterischen konzertierten Konformationsänderung waren.

Mein Mann untersuchte anfänglich Wasserstoffbrückenbindungen mit Hilfe von Relaxationskinetik, begann sich aber sehr bald für Manfred Eigens Überlegungen zur molekularen Evolution zu begeistern und entwickelte dafür Computer-Simulationen. Sie beschrieben das Konzept des Hyperzyklus in einer Reihe hochzitierter Veröffentlichungen: Der meistzitierte Artikel "Hypercycle - principle of natural self-organization. A. Emergence of Hypercycle" (1977) Naturwissenschaften 64:541-65 wurde bis heute 781 mal zitiert.

Die Vision eines neuen Instituts

In unserer Zeit als Postdocs waren wir noch im Institut für Physikalische Chemie in der Bunsenstrasse angesiedelt. Wir hörten von der Initiative Manfred Eigens, dass nun ein neues Institut entstünde, das transdisziplinär - mit biologischen, chemischen und physikalischen Methoden - komplexe Lebensvorgänge erforschen sollte. Die Vision wurde Wirklichkeit: Aus der Zusammenlegung der Institute für Physikalische Chemie und Spektroskopie ging das Institut für biophysikalische Chemie hervor, eine großzügige Anlage, die am Faßberg erbaut und 1971 eingeweiht wurde. Dieses Institut ist enorm erfolgreich: es wurden zahlreiche bedeutende Preise an Forscher des Instituts vergeben. 1991 erhielten Erwin Neher und Bert Sakmann den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Erforschung von Ionenkanälen in Membranen von Nervenzellen. 2014 wurde der Nobelpreis für Chemie an Stefan Hell verliehen für seine bahnbrechenden Arbeiten auf dem Gebiet der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie

Was ist Leben?

Bereits 1967 hatte sich Manfred Eigen mehr und mehr der Biochemie zugewandt - den Mechanismen der Basenpaarung in den Nukleinsäuren, den Fragen zur Optimierung von Enzymfunktionen. Er begann sich mit Evolution zu beschäftigen: Gilt das Darwinsche Prinzip auch auf dem Niveau der Moleküle? Für die Optimierung von Enzymen? Wo findet der Selektionsprozess statt? Eigen begann eine kinetische Theorie der Reproduktion von Nukleinsäuren zu entwickeln. Diese entsprach dem Darwinschen Prinzip in einer wesentlich präziseren Form. Das was Biologen allgemein als "Wildtyp" bezeichnen, stellte sich als ein Spektrum von Mutanten heraus, der Begriff "Quasispecies" wurde für ein breit gestreutes Spektrum an Mutanten gewählt. Wie aber nun die für die Reproduktion nötigen Komponenten zusammenfinden, wurde im Konzept von sogenannten Hyperzyklen beschrieben. Abbildung 3.

Abbildung 3. Stark vereinfachte Darstellung eines Hyperzyklus. Dieser Hyperzyklus weist eine zyklische Folge von Rückkopplungen auf, in welcher Nukleinsäuren (I1 – I5) die Bildung von Enzymen (E1- E5) durch Übersetzung (Translation) katalysieren, welche wiederum die Replikation der Nukleinsäuren katalysieren.

Ein derartiger Hyperzyklus ist ein geschlossener Kreislauf von katalytischen Prozessen und zeigt bereits grundlegende Eigenschaften von Lebewesen: Selbstvermehrung und Vererbung - d.i. Weitergabe von Information -, Stoffwechsel sowie Mutation infolge unscharfer Replikation und er funktioniert nach dem Prinzip der Rückkopplung: Nukleinsäuren katalysieren die Bildung von Proteinen, von denen einige die Replikation der Nukleinsäuren katalysieren. Dies führt zu deren schnelleren Vermehrung. Hyperzyklen sind die Grundlage der Selbstorganisation der Materie.

Von Grundlagen- zur angewandten Forschung

Die Möglichkeit Evolutionsexperimente im Labor auszuführen hat zur Entwicklung von Evolutionsmaschinen und zu deren Anwendung in der Praxis geführt: Manfred Eigen hat damit eine neue Sparte der Biotechnologie, die evolutive Biotechnologie begründet. Mit Hilfe dieser Evolutionsmaschinen können grundlegende Mechanismen der Evolution beispielsweise von pathogenen Krankheitserregern untersucht werden aber auch optimierte neuartige Wirkstoffe entwickelt werden.

Die Arbeiten Manfred Eigens waren Basis für die Gründung zweier erfolgreicher Unternehmen, der Hamburger Evotec AG und der DIREVO Biosystems AG/Köln (heute: Bayer HealthCare AG).

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Wenn es so etwas wie wissenschaftliche Prägung gibt, so hat uns unsere Postdoc Zeit in Göttingen für unser weiteres Leben geprägt. Durch Manfred Eigen haben wir den offenen, aber auch kritischen Blick auf eine Wissenschaft erfahren, die kontinuierlich Neues, bisher Undenkbares erschafft und sich an keine Fachgrenzen hält.

Seit nahezu fünfzig Jahren ist uns Manfred Eigen Freund, Lehrer und Vorbild - Seine Faszination an der Wissenschaft hat sich auf uns übertragen, ein Leben ohne fortwährende wissenschaftliche Betätigung ist für uns unvorstellbar geworden.

Dafür einfach "Danke" zu sagen, ist viel, viel zu wenig.

Zum runden Geburtstag gratulieren wir von ganzem Herzen!!

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Weiterführende Links

Max-Planck Institut für Biophysikalische Chemie

Manfred Eigen

Immeasurably fast reactions. Nobelpreisrede (1967)

The Origin of Biological Information (1977) Video (Deutsch) 1:24:08.

What is life? - Manfred Eigen (1997) Video 3:47 min. (https://www.webofstories.com/play/manfred.eigen/ , Standard-YouTube-Lizenz)

Manfred Eigen At Work (1967). Video (ohne Ton) 1:35 min. (Quelle: British Pathe, Standard-YouTube-Lizenz)

Schöpfung ohne Schöpfer - Wie das Universum sich selbst organisiert. Video 58:46 min. Diskussion auf 3Sat über Selbstorganisation; Standard-YouTube-Lizenz)

Artikel zu Selbstorganisation/Evolution im ScienceBlog

• Peter Schuster; 03.11.2011: Gibt es Rezepte für die Bewältigung von Komplexität?
• Peter Schuster; 12.04.2012: Wie universell ist das Darwinsche Prinzip?
• Peter Schuster; 16.02.2012: Zum Ursprung des Lebens — Konzepte und Diskussionen
• Peter Schuster; 24.05.2013: Letale Mutagenese — Strategie im Kampf gegen Viren