05.09.2006 - MOLEKULARBIOLOGIE

Der Weg zur Molekularbiologie

Zum 100. Geburtstag des Nobelpreisträgers Max Delbrück (1906-1981)

Ernst Peter Fischer

Max Delbrück in seinem Büro in Konstanz 1969 - Bild: privat

„Licht und Leben“ – so lautete der Titel einer Vorlesung, die der dänische Physiker Niels Bohr im Jahre 1932 in Kopenhagen gehalten hat. Im Publikum unter den Zuhörern saß der damals 26-jährige Max Delbrück, der nach seinem Studium der Physik ein Jahr zuvor als Postdoc bei Bohr tätig gewesen war. Delbrück war auf der Suche nach einer Möglichkeit, sich ein anderes Forschungsgebiet zu suchen, in dem noch große Ideen gefragt waren und es nicht nur auf das Durchrechnen kleiner Probleme ankam.

Tatsächlich legte die Physik zu Beginn der 1930er Jahre eine Art Ruhepause ein. Dies war auch dringend notwendig nach dem gewaltigen Umsturz, den sie als Quantenmechanik und Relativitätstheorie in den ersten Jahrzehnten nach 1900 erlebt hatte. Doch so dramatisch es bis dahin in der Physik zugegangen war, als Bohr in Kopenhagen an das Rednerpult trat, kannte man die wesentlichen Ideen schon, und Delbrück fragte sich, wie er sich neu orientieren könne. Er erfuhr es bei Bohr, der zum einen darauf hinwies, daß die Atomphysik ihre großen Erfolge der Tatsache verdanke, daß sie mit einem höchst einfachen System in Form des Wasserstoffatoms anfangen und die grundlegenden Gesetze Schritt für Schritt erraten und verfeinern konnte. Und zum zweiten erinnerte Bohr an den Ausgangspunkt der neuen Physik, die sich bemühte, die Wechselwirkung von Licht und Materie zu verstehen.

Vielleicht könne die Biologie sich ähnlich revolutionär verändern, wenn sie beginne, die Wechselwirkung von Licht und Leben zu analysieren. Delbrück war elektrisiert. 1927 war entdeckt worden, daß Röntgenstrahlen Mutationen bewirken können, und er fragte sich: Welches ist das einfachste biologische System, das als „Wasserstoffatom“ der Vererbung dienen konnte, dass also nicht viel anderes tat, als sich zu vermehren? Was Delbrück zusätzlich reizte war Bohr`s Gedanke, dass es bei der Analyse des einfachen Systems zu einem Widerspruch mit dem herkömmlichen Denken kommen konnte, was ihm und seinen Kollegen die Möglichkeit geben würde, neue (revolutionäre) Vorstellungen für das Leben zu entwickeln. Beim Wasserstoff kann die klassische Physik nicht erklären, wie ein Elektron einen Atomkern umrundet. Dies gelang erst der Quantenphysik, die sich so durchsetzte.

Delbrücks erste Bemühungen um das geeignete biologische System führten ihn zu dem russischen Genetiker Nikolai Wladimirovich Timoféeff-Ressovsky, der in Berlin-Buch arbeitete. Zusammen mit ihm und dem deutschen Physiker Karl Günter Zimmer verfasste er 1935 die Arbeit „Über die Natur der Genmutation und der Genstruktur“, in der das Gen als „Atomverband“ beschrieben und somit Teil der exakten Wissenschaften wurde. Während Delbrück seine privaten Ausflüge in den genetischen Bereich unternahm, arbeitete er offiziell als Assistent von Lise Meitner am Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik in Dahlem. Er war zuständig für die theoretische Deutung der Experimente, bei denen Neutronenstrahlen auf Uran gerichtet wurden und mit deren Hilfe Ende 1938 die Kernspaltung entdeckt wurde. Zu dem Zeitpunkt war Delbrück bereits in den USA. Im Jahr zuvor hatte ihm die Rockefeller Stiftung angeboten, seine auf Genetik gerichteten Interessen im Labor von Thomas H. Morgan am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena zu verfolgen und die Genetik der Fruchtfliege Drosophila zu erkunden.

Doch so gut sich die Gesetze der Vererbung mit Drosophila erforschen ließen, die Fliege war nicht das Wasserstoffatom der Biologie, das Delbrück suchte. Er fand es am Caltech trotzdem, und zwar in dem Labor, in dem ein einzelner Mann namens Emory Ellis experimentierte. Ellis versuchte, das Wachsen von Viren zu verstehen, und zwar von Viren, die in Bakterien eindringen und sich dort vermehren. Sie heißen Bakteriophagen oder kurz Phagen, und als Delbrück sich ihrer annahm, öffnete er den Weg in die heutige Molekularbiologie. Delbrück konnte die statistischen Methoden nutzen, die er als Physiker gelernt hatte, um die Vermehrung der Phagen zu quantifizieren, und die Arbeit über „The Growth of Bacteriophage“, die er 1939 zusammen mit Ellis publizierte, erlaubte einer bis dahin eher deskriptiven Forschung, so exakt zu werden, wie man es von einer modernen Wissenschaft verlangte.

Das Jahr 1939 stellt nicht nur wissenschaftlich, sondern auch politisch einen Wendepunkt dar. Als Delbrücks Stipendium zu Beginn des Zweiten Weltkriegs ablief, versuchte er, in den USA zu bleiben, was erneut mit Hilfe der Rockefeller Stiftung gelang, die ihm zu einer Stelle an der Universität von Vanderbilt in Nashville in Tennesse verhalf. Dort verbrachte Delbrück die Jahre bis 1945. Er nutzte die Weltferne des Ortes, um in aller Ruhe mit dem italienischen Biophysiker Salvador Luria die Grundlagen der Wissenschaft zu legen, die heute Bakteriengenetik heißt. Die beiden Forscher kümmerten sich um das Phänomen des sekundären Wachstums, das Bakterien zeigen, wenn sie von Phagen angegriffen werden. Erst funktioniert die Virusattacke, doch zuletzt bleiben einige Bakterien übrig, die resistent geworden sind und sich dadurch ungehindert vermehren können. Die Frage lautete, wie machen das die Bakterien?

Die Antwort, die Delbrück und Luria in ihrer so genannten Fluktuationsanalyse im Dezember 1943 publizierten und für die sie 1969 zusammen mit Alfred D. Hershey den Medizinnobelpreis bekamen, umfasst mehrere Aspekte. Zum einen zeigten Delbrück und Luria, dass Bakterien Gene haben - was damals neu war; dann erkannte das Duo, dass sich diese Gene spontan ändern (mutieren) konnten (wie es die Evolution nach Charles Darwin erwartete); und sie waren in der Lage, die Mutationsrate genau zu ermitteln. Die Wissenschaft unternahm jetzt Riesenschritte, um die Idee der Molekularbiologie zu verfolgen.

Ein wesentlicher Beitrag dazu kam von dem berühmtesten Schüler Lurias, James Watson, der 1953 zusammen mit Francis Crick das Modell der Doppelhelix für die Erbsubstanz vorschlug. Delbrück war nicht nur der erste, der durch einen Brief Watsons davon erfuhr; er war auch der erste, der Watson einlud, über die Doppelhelix einen Vortrag zu halten. Doch so sehr alle von der neuen Biologie schwärmten, für Delbrück selbst war die Genetik langweilig geworden. Das war in seinen Augen nur noch Chemie. Und so entschied er sich 1953, das Feld erneut zu wechseln. Er suchte einen Organismus, der im Wesentlichen ein empfindliches Wahrnehmungssystem darstellen und möglichst aus einer Zelle bestehen sollte, und er entschied sich für einen kleinen Pilz mit Namen Phycomyces. Zu dieser Zeit war Delbrück bereits seit sechs Jahren Professor am California Institute of Technology (Caltech), und dort sollte er bis zum Ende seines Lebens bleiben.

Sät man Sporen von Phycomyces aus, entsteht eine Art Teppich (das Mycel), von dem aus sich kleine Gebilde hochrecken, die wie Härchen aussehen und nur Bruchteile von Millimetern dick sind. Sie bilden irgendwann ein Köpfchen – das Sporangium mit den neuen Sporen – und wachsen dann schnell in die Höhe. „Schnell“ meint mehrere Millimeter pro Stunde, und während sie wachsen, sind die Sporangiophoren äußerst reizempfindlich. Sie reagieren unter anderem auf Licht, auf Wind, auf feste Gegenstände und auf die Schwerkraft. Delbrücks Ziel bestand darin, die genaue Kette der Signale kennen zu lernen, die vom Ein- und Auftreffen des Reizsignals (Licht zum Beispiel) bis zur Reaktion in Form eines differenzierten Wachstums führt. Er hatte ganz allgemein der Biologie empfohlen, Signalketten zu untersuchen, um die Verhaltensweisen von Organismen zu verstehen, und dieses Konzept dient heute als Grundlage, um zu verstehen, wie Umweltreize von außen nach innen kommen, wo sie das Leben beeinflussen.

So dynamisch die Phagenforschung geworden ist und so wichtig sich die Idee der Signalumwandlung erwiesen hat – aus Phycomyces ist keine Erfolgsgeschichte geworden. Delbrück trug auf jeden Fall neben seinen fachlichen Beiträgen auch institutionell zum Leben der Wissenschaft bei. Auf ihn gehen die legendären Phagenkurse zurück, die das Cold Spring Harbor Laboratory auf Long Island nach dem Zweiten Weltkrieg anbot, und zwar in den Räumen, die heute nach Delbrück benannt sind. In den frühen 1960er Jahren brachte er die Genetik nach Köln, 1969 half Delbrück, die biologische Fakultät der neu gegründeten Universität Konstanz aufzubauen. Während der Kölner Zeit gelang es Delbrück, Bohr einzuladen und mit der Bitte Gehör zu finden, das alte Thema „Licht und Leben“ dreißig Jahre später noch einmal zu erörtern. Beide – Bohr und Delbrück – waren sich einig, dass es sich immer noch lohnt, die Wechselwirkung von Licht und Leben zu verstehen.


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