Magazin

Prof.Dr.

Artikel

Paul Harteck und die Uranmaschine

Im Dezember 1938 entdeckten Otto Hahn und Fritz Strassmann die Kernspaltung,1 Lise Meitner und Otto Frisch erklärten sie in zwei Publikationen, die Anfang 1939 in Nature erschienen, theoretisch.1 Frederic Joliot, Hans von Halban und Lew Kowarski publizierten in Nature kurze Zeit später,1 dass pro...

Um die Fachgebiete mit Biologie und Chemie im Namen gegeneinander abzugrenzen, ist es hilfreich, sich zwei Fragen zu stellen. Welche biologischen Probleme untersucht das Forschungsfeld? Mit welchen Methoden und Techniken geschieht das?


<h2>Von der Zellbiologie zur Molekularbiologie</h2>
Die Zellbiologie (Cytologie) befasst sich mit dem “Bau und den Funktionen von pflanzlichen, tierischen und menschlichen Zellen”.1 Der Begriff der Zelle ist bereits seit dem Jahr 1667 eingeführt, das Gebiet der Zellbiologie ist daher das älteste der hier besprochenen.1 Untersucht werden biologische Vorgänge wie die Bewegung von Zellen und Zellverbänden, Wachstum und Teilung von Zellen und die Funktion von Zellorganellen und ihren Membranen. Essenziell in der Zellbiologie sind mikroskopische Methoden wie Histologie, Elektronenmikroskopie oder Fluoreszenzmikroskopie, um Zellkulturen oder Zellverbände in Organismen zu untersuchen.1) 
In der molekularen Zellbiologie (auch: Molekularbiologie der Zelle) werden zelluläre Vorgänge auf molekularer Ebene in Form von Makromolekülen wie Proteinen, DNA und RNA sowie Lipiden untersucht.2 Sie nutzt Methoden der Molekularbiologie, und der Übergang in dieses Forschungsfeld ist fließend.2
Der Begriff Molekularbiologie entstand Ende der 1930er Jahre; seit den 1950er Jahren ist dann von einem eigenen Feld Molekularbiologie zu sprechen.3 Diese Teildisziplin der Biologie untersucht “Lebenserscheinungen im molekularen Bereich, besonders im Bereich der informationstragenden Makromoleküle (DNA, RNA, Proteine)” und sie versucht, “Lebensvorgänge auf Ebene von Struktur, Funktion und Umwandlung dieser Moleküle zu erklären”.4 Das Methodenspektrum reicht von der Mikroskopie über Zellkultur, Proteinaufreinigung aus Zellen und Strukturbestimmung bis zum Klonieren (molekulare Genetik) und Analysieren durch Blot-Techniken und Gelelektrophorese.2 Dieses Methodenspektrum verdeutlicht, dass eine Abgrenzung zur molekularen Zellbiologie und zur Biochemie nicht möglich ist und sich diese Fächer ergänzen.
Die Interdisziplinarität der Molekularbiologie wird auch durch ein Zitat des Physikers Francis Crick verdeutlicht, der gemeinsam mit dem Biologen James Watson die Struktur der DNA aufklärte und dafür im Jahr 1962 den Nobelpreis erhielt: “I … was forced to call myself a molecular biologist because when enquiring clergymen asked me what I did, I got tired of explaining that I was a mixture of a crystallographer, biophysicist, biochemist and geneticist …”.3 Francis Crick formulierte das zentrale Dogma der Molekularbiologie: “DNA makes RNA makes protein”.5


<h2>Biochemie</h2>
Die Biochemie “untersucht die Chemie der Lebensvorgänge”.6 Sie bedient sich chemischer Methoden zur “Ermittlung von Struktur und Funktion einzelner Zellbestandteile” und um chemische Prozesse des Zellgeschehens zu untersuchen, beispielsweise den Energiestoffwechsel sowie dessen Zyklen und Regulationsmechanismen.1 Die Forscher, die diese Fachrichtung als eigene Disziplin etablierten, waren oft sowohl Mediziner als auch Chemiker. Ein Beispiel ist Otto Warburg, der im Jahr 1931 den Nobelpreis für “die Entdeckung der Natur und der Funktion des Atmungsenzyms” erhielt.7
Biochemische Studien finden in vitro statt; rekombinante Methoden zur Proteinexpression, Proteinreinigung, Isolierung aus Naturstoffen oder chemische Synthese liefern die nötigen molekularen Komponenten.6
Im Lauf der Zeit hat sich die ursprünglich mechanistisch-chemische Herangehensweise der Biochemie in einigen Gebieten der etwas weniger detaillierten, makromolekularen aus der Molekularbiologie genähert. Eine moderne Entwicklung aus der Biochemie ist die Metabolomik. Sie identifiziert und quantifiziert Metaboliten in systemischen (als Teilgebiet der Systembiologie) und dynamischen Prozessen. Metabolomik hilft so, komplexe Vorgänge im Organismus zu beschreiben und zu verstehen.8


<h2>Bioorganische und bioanorganische Chemie</h2>
Die bioorganische Chemie ist zwischen den Fachrichtungen Biochemie und organische Chemie angesiedelt.9 Die Disziplin gibt es schon sehr lange, der Begriff bildete sich erst wesentlich später: Während Friedrich Wöhler den Harnstoff bereits im Jahr 1828 synthetisierte,1 fand erst 1985 das erste Iupac International Symposium on Bioorganic Chemistry statt.9 Wissenschaftler, die in der bioorganischen Chemie beheimatet sind, beschäftigen sich mit der chemischen Synthese von molekularen Modellen und Molekülen aus Lebewesen wie Nukleinsäuren, Proteinen und Peptiden, Zuckern und Lipiden. Sie wollen damit biochemische Prozesse verstehen oder die chemische Struktur biologischer Systeme aufklären und daraus auf deren Funktion schließen.10 Die Synthese von Derivaten und Mimetika von Wirkstoffen ist zudem ein wichtiger Bestandteil der pharmazeutischen Forschung.11 Der Schwerpunkt der bioorganischen Chemie liegt somit in der Synthese und der Entwicklung von Synthesemethoden für Biomoleküle.
Historisch ähnlich verlief die Begriffsbildung der bioanorganischen Chemie. Das Teilgebiet entwickelte sich als eigene Fachrichtung erst nach dem Jahr 1960, aber anorganische Elemente waren schon früh — Eisen im Tierblut beispielsweise schon im Jahr 1704 — als konstitutive Bestandteile lebender Materie erkannt worden. Die Bioanorganik beschreibt bioanorganische Systeme und untersucht die Verknüpfung von Funktion, dem strukturellem Aufbau und der konkreten Reaktivität in Organismen. Dieses Fachgebiet ist ebenfalls hochinterdisziplinär: Es verbindet unter anderem die Biochemie mit der anorganischen Chemie, der Physik und der Toxikologie.12


<h2>Chemische Biologie</h2>
Die chemische Biologie wird erst seit 1992 als eigenes Feld definiert.13 Praktiziert wurde sie allerdings — wie die bioorganische Chemie — bereits vor der Namensgebung.14 Bei der chemischen Biologie handelt es sich um einen Grenzbereich zwischen Chemie und Biologie. Allgemein wird chemische Biologie definiert als die Entwicklung und Anwendung chemischer Techniken und Werkzeuge, um biologische Fragen aufzuklären.15 Dies erfordert großes Verständnis von chemischen Techniken und von biologischer Forschung.
Ursprünglich war chemische Biologie die Verbindung zwischen organischer Chemie und Zellbiologie; der Fokus lag auf der Manipulation zellulärer Systeme und deren Bestandteile durch kleine Moleküle.13 Heutzutage wird der Begriff jedoch viel breiter verwendet: Chemie bezeichnet nur noch hauptsächlich, aber nicht mehr ausschließlich, die organische und bioorganische Chemie, während in der Biologie quasi keine Grenzen gesetzt sind.16 Die chemische Biologie ist somit die am breitesten definierte der besprochenen Fachrichtungen und umfasst alle oben diskutierten Fachgebiete und deren Methoden.
Diese breite Aufstellung macht es schwer, die Fachrichtungen zu unterscheiden. Wenn zum Beispiel (kommerziell erhältliche) Inhibitoren zur Untersuchung eines biologischen Phänomens in Zellen benutzt, aber nicht dafür entwickelt werden, wäre dies trotz des chemischen Werkzeuges (des Inhibitors) in die Molekularbiologie oder Zellbiologie einzuordnen.
Ein weiteres Beispiel ist die Entwicklung von Synthesemethoden, um chemisch modifizierte Proteine in vitro herzustellen. Dienen diese Proteine nicht explizit zur Erforschung biologischer Fragen, so ist diese Arbeit der bioorganischen Chemie zuzuordnen. Werden jedoch biologische Fragen mit diesen Proteinen beantwortet, handelt es sich um chemische Biologie.


<h2>Fachrichtungen zuordnen: Warum?</h2>
Besonders die Zuordnung zur chemischen Biologie liegt stark im Ermessen des Betrachters17 und die Übergänge zwischen den oben aufgeführten Disziplinen sind fließend. Daher können die Beschreibungen der Fächer nur ein Anhaltspunkt sein und keine Definitionen.
Trotz aller Defizite bleibt die Zuordnung wissenschaftlicher Arbeiten zu Fachrichtungen sinnvoll. Sie hilft, die Arbeiten zu beschreiben und zu kategorisieren, und bringt Wissenschaftler mit gemeinsamen Interessen zusammen. Die Beschreibungen der Fachrichtungen dienen zudem als Basis für die Lehre. Daher beeinflussen Weiterentwicklungen in den Fachrichtungen, der fließende Übergang zwischen ihnen und die immer häufiger auftretende Interdisziplinarität in wissenschaftlichen Arbeiten auch die Entwicklung der Lehre und der akademischen Infrastrukturen.


Maja Köhn ist Gruppenleiterin am European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg. Für diesen Artikel zog sie nicht nur Standardwerke zu Rate, sondern befragte auch Kollegen der verschiedenen Felder zu ihrer Interpretation der Fachdefinitionen. Dabei wurde ihr zweierlei deutlich: Die Felder haben sich im Lauf der Zeit so verändert, dass es nun einen fließenden Übergang zwischen ihnen gibt. Zudem interpretieren die befragten Wissenschaftler die einzelnen Felder unterschiedlich — und stark abhängig von den eigenen Forschungsgebieten und -vorlieben.



<ul>
<li>
1 


<source>Lexikon der Biologie Band 2, <publisher-name>Herder Verlag</publisher-name>, <publisher-loc>Freiburg, Basel, Wien</publisher-loc>, (1984).

</li>
<li>
2 


<source>Molekularbiologie der Zelle Hrsg.: <person-group person-group-type="editor">B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter</person-group>, Deutscher Hrsg.: <person-group person-group-type="editor">U. Schäfer</person-group>, 5. Aufl, <publisher-name>Wiley-VCH</publisher-name>, <publisher-loc>Weinheim</publisher-loc>, (2011).

</li>
<li>
3 


J. C. Kendrew, 
<source>The Encyclopedia of Molecular Biology [Hrsg.: <person-group person-group-type="editor">J. C. Kendrew</person-group>], <publisher-name>Blackwell Science</publisher-name>, <publisher-loc>Oxford</publisher-loc>, (1994).

</li>
<li>
4 


<source>Lexikon der Biologie Band 6, <publisher-name>Herder Verlag</publisher-name>, <publisher-loc>Freiburg, Basel, Wien</publisher-loc>, (1986).

</li>
<li>
5 

 
F. Crick, 
<source>Nature 
(1970), 
227, 
561.
</li>
<li>
6 


<source>Biochemie [Hrsg.: <person-group person-group-type="editor">J. M. Berg, J. L. Tymoczko, L. Stryer</person-group>], <publisher-name>Elsevier Spektrum Akademischer Verlag</publisher-name>, <publisher-loc>Heidelberg</publisher-loc>, 6. Aufl., (2007).

</li>
<li>
7 


H. Krebs, 
<source>Otto Warburg, <publisher-name>Clarendon Press</publisher-name>, <publisher-loc>Oxford</publisher-loc>, (1981).

</li>
<li>
8 


M. Casante, 
S. Marin, 
<source>Essays in Biochemistry: Systems Biology [Hrsg.: <person-group person-group-type="editor">O. Wolkenhauer, P. Wellstead, K.-H. Cho</person-group>], <publisher-name>Portland Press</publisher-name>, (2008).

</li>
<li>
9 

 
N. J. Leonard, 
<source>Pure Appl. Chem. 
(1994), 
66, 
659.
</li>
<li>
10 


<source>Bioorganic Chemistry: A Chemical Approach to Enzyme Action [Hrsg.: <person-group person-group-type="editor">H. Dugas</person-group>], 3. Aufl., <publisher-name>Springer</publisher-name>, <publisher-loc>New York, Berlin, Heidelberg</publisher-loc>, (1996).

</li>
<li>
11 


<source>Bioorganic Chemistry: Highlights and New Aspects [Hrsg.: <person-group person-group-type="editor">U. Diederichsen, T. K. Lindhorst, B. Westermann, L. A. Wessjohann</person-group>], <publisher-name>Wiley-VCH</publisher-name>, <publisher-loc>Weinheim</publisher-loc>, (1999).

</li>
<li>
12 


W. Kaim, 
B. Schwederski, 
<source>Bioanorganische Chemie, <publisher-name>Teubner Studienbücher Chemie</publisher-name>, <publisher-loc>Stuttgart</publisher-loc>, (1995).

</li>
<li>
13 

 
S. L. Schreiber, 
<source>Chem. Eng. News 
(1992), 
70, 
22.
</li>
<li>
14 

 
K. L. Morrison, 
G. A. Weiss, 
<source>Nat. Chem. Biol. 
(2006), 
2, 
3.
</li>
<li>
15 


<source>Chemical Biology — A Practical Course [Hrsg.: <person-group person-group-type="editor">H. Waldmann, P. Janning</person-group>], <publisher-name>Wiley-VCH</publisher-name>, <publisher-loc>Weinheim</publisher-loc>, (2004).

</li>
<li>
16 


<source>Wiley Encyclopedia of Chemical Biology, [Hrsg.: <person-group person-group-type="editor">T. P. Begley</person-group>], <publisher-name>Wiley</publisher-name>, <publisher-loc>Hoboken, New Jersey</publisher-loc>, (2009).

</li>
<li>
17 

 
K.-H. Altmann, 
J. Buchner, 
H. Kessler, 
F. Diederich, 
B. Kräutler et al., 
<source>ChemBioChem 
(2009), 
10, 
16.
</li>
</ul>

Artikel

Paul Harteck und die Uranmaschine

Überprüfung Ihres Anmeldestatus ...