06.10.2022 - The Nobel Foundation

Click-Chemie - Molekülproduktion nach dem Lego-Prinzip

Funktionsmaterialien und Wirkstoffe gegen Krebs sowie Autoimmunerkrankungen: Der Chemie-Nobelpreis geht an Forscher, die die Produktion komplexer Moleküle vereinfacht und neue Einsatzgebiete erschlossen haben

(dpa) Click - der Klang des Wortes steht wohl für zwei Eigenschaften: schnell und einfach. Genau darum geht es weitgehend beim diesjährigen Nobelpreis für Chemie. Der US-Amerikaner Barry Sharpless (81) und der Däne Morten Meldal (68) haben die Grundlagen für die Click-Chemie gelegt: komplexe Moleküle schnell und effizient aus einfachen Bausteinen zu entwickeln. Und die US-Chemikerin Carolyn Bertozzi (56) hat die Erkenntnisse so weiterentwickelt, dass sie etwa in der Medizin angewandt werden können - vor allem in der Krebstherapie. «Der diesjährige Preis für Chemie hat damit zu tun, Dinge nicht zu verkomplizieren, sondern mit dem zu arbeiten, was leicht und simpel ist», erklärt Johan Åqvist, Vorsitzender des Nobel-Komitees für Chemie.

Die Click-Chemie beginnt mit Sharpless, der schon seinen zweiten Nobelpreis bekommt. Zu Beginn des Jahrhunderts beschäftigte er sich mit einem Grundproblem der Chemie: Zum Bauen komplexer Moleküle benötigen Chemiker oft mehrere Schritte - das kostet nicht nur Zeit und Geld, sondern dabei fallen regelmäßig unerwünschte Nebenprodukte an, die aufwendig entfernt werden müssen.

Im Jahr 2001 fordert Sharpless, sich bei den Zielmolekülen nicht an natürlichen Vorbildern zu orientieren, sondern einfach und funktional zu denken. Komplexe Moleküle sollten möglichst simpel aus kleineren und reaktionsfreudigen Einheiten gebaut werden - wie ineinandergesteckte Legosteine. «Click-Chemie ist durch eine Auswahl einiger weniger nahezu idealer Reaktionen charakterisiert», heißt es im Fachblatt «Angewandte Chemie».

Wenig später entdeckt der Däne Meldal im Labor die klassische Click-Reaktion: Ein Alkin - eine Gruppe von Kohlenwasserstoffen - verbindet sich mit einem Azid - einer Verbindung der Stickstoffwasserstoffsäure - zu einer ringförmigen Struktur, wenn man Kupferionen dazugibt. Diese ringförmigen Strukturen, sogenannte Triazole, sind sehr stabil und werden etwa in Arzneimitteln oder Pestiziden genutzt.

Unabhängig davon beschreibt Sharpless im gleichen Jahr diesen Prozess der Kupfer-katalysierten Azid-Alkin-Cycloaddition und spricht von der «idealen» Click-Reaktion. Damit lassen sich Funktionsmaterialien erzeugen, die etwa Elektrizität leiten, Sonnenstrahlung einfangen, vor UV-Strahlung schützen oder Bakterien abtöten.

Bertozzi überträgt diese Erkenntnisse auf das Studium lebender Zellen und Organismen. Schon seit den 1990er-Jahren hat sie sich auf eine von der Forschung vernachlässigte Gruppe von Molekülen konzentriert: die Glykane. Diese Vielfachzucker sitzen unter anderem auf der Oberfläche von Zellen und sind mitunter beteiligt, wenn Viren in Zellen eindringen. Zudem können unterschiedliche Glykane Immunzellen anlocken oder auch fernhalten.

Bertozzi sucht nach einem Weg, Glykane in lebenden Zellen zu markieren, ohne die Zellen zu schädigen. Dies gelingt ihr mit Aziden. Berichte über die Kupfer-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition lassen die Forscherin aufhorchen - doch Kupfer schädigt Zellen. Bertozzi löst das Problem rasch: Bringt man Alkyne in eine ringförmige Struktur, läuft die gewünschte Reaktion auch ohne die zellschädigenden Kupferionen ab.

«Was die Arbeit von Bertozzi auszeichnet ist, dass nur die gewünschte chemische Verknüpfung entsteht und das biologische System nicht in unkontrollierter Weise beeinflusst wird», sagt Constanze Neumann vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung. «Damit stehen weitreichende Anwendungsmöglichkeiten in der medizinischen Forschung und der Entwicklung neuer Therapien offen.»

Interessant ist diese bioorthogonale Chemie etwa für die Behandlung von Autoimmunerkrankungen - und auch für die Krebsmedizin: Denn bestimmte Glykane auf der Oberfläche von Krebszellen halten das Immunsystem davon ab, den Tumor zu attackieren. Medizinisch lässt sich das nutzen, indem man Antikörper entwickelt, die an diese Stoffe binden. Diese Antikörper lassen sich etwa mit Enzymen koppeln, die diese Glykane entfernen - und die Tumorzellen so für Immunzellen zugänglich machen.

Solche Antikörper-Wirkstoff-Konjugate würden derzeit klinisch getestet, so das Nobel-Komitee. Auch Aubry Miller vom Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) betont: «Die Forschung von Bertozzi, Meldal und Sharpless spielt bereits eine große Rolle in der Medizin. Das hat viel ermöglicht, nicht nur in der Krebs-, sondern in der Wirkstoffforschung allgemein.»

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