Seit über 20 Jahren durchleuchtet Wolfram Saenger mit seinen Röntgen-Kristallstrukturanalysen komplexe biologische Vorgänge

Algen und manche Bakterienarten tun es unter Wasser. Moose, Flechten und höhere Pflanzen zu Lande: Photosynthese. Vor rund 3,5 Milliarden Jahren fingen die kleinsten unter ihnen, die Cyanobakterien, an, mit Hilfe des grünen Pigments Chlorophyll Sonnenlicht einzufangen, um Wassermoleküle zu spalten und daraus Sauerstoff zu entwickeln. Mit den dabei freigesetzten Wasserstoff-Ionen und Elektronen bauten sie in nachgeschalteten Prozessen Kohlendioxid aus der Luft zu Kohlenhydraten um.

Die Photosynthese schuf die Grundlage für höheres Leben auf der Erde – und erhält sie aufrecht. Heute werden durch diesen Vorgang, der zu den wichtigsten biologischen Energie-Umwandlungsprozessen zählt, jährlich 200 Milliarden Tonnen Kohlenstoff aus der Atmosphäre in Form von organischen Kohlenstoffverbindungen gebunden. Es ist ein ewiger Kreislauf, denn mit dem bei der Photosynthese erzeugten Sauerstoff verbrennt jedes Lebewesen eben diese Kohlenstoffverbindungen, die ihm Nahrung und damit Energie liefern, wieder zu Kohlendioxid und Wasser.

Die chemische Gleichung der Photosynthese ist simpel, es ist eine klassische Redoxreaktion. Doch wenn Prof. Dr. Wolfram Saenger die farbigen Folien mit den Kristallstrukturen der Protein-Cofaktor-Komplexe der Photosysteme I (Kohlenhydratproduktion) und II (Sauerstoffproduktion), die das alles in jeder Bakterien-, Algen- oder Pflanzenzelle locker bewerkstelligen, vor sich ausbreitet, wird schnell klar: Es ist viel komplexer als die chemische Gleichung erwarten lässt.

„Um Wasser zu Sauerstoff zu oxidieren, wird ein extrem hohes elektrisches Potenzial von 1,2 Volt benötigt“, erklärt Saenger. Dazu müssen Bakterien und Pflanzen gewaltige chemische Klimmzüge machen. Kein Wunder, dass allein die Molekül-Maschinerie, die die so genannte „Lichtreaktion“ in der Zellmembran vollzieht – das Photosystem II – im Vergleich zu einem kleinen Molekül wie Glukose wie ein Elefant neben einer Stubenfliege wirkt.

Seit nunmehr 20 Jahren erforscht der 66-jährige Chemiker am Institut für Kristallographie der Freien Universität Berlin die Photosysteme. Und noch immer sind nicht alle Rätsel gelöst. Je energiereicher die Röntgenstrahlung wurde, je reiner das im Cyanobakterium Synechococcus elongatus erzeugte Protein und je perfekter die daraus gezüchteten Einkristalle, desto mehr Details der Molekülstrukturen wurden erkennbar. Ein siebenköpfiges Team aus Molekularbiologen, Chemikern und Biochemikern braucht es dazu, das in Kooperation zwischen Freier Universität Berlin und Max-Volmer-Institut der Technischen Universität Berlin im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 498 gefördert wird. Gemessen wird an Synchrotronen in Grenoble oder Hamburg, denn „unser BESSY in Adlershof ist für so große Moleküle doch zu schwach auf der Brust“, sagt Saenger bedauernd. Die Messzeiten im Synchrotronstrahl liegen zwischen vier und sechs Stunden. Doch erst hinterher beginnt die wirkliche Arbeit. Die Ermittlung der dreidimensionalen Molekülstruktur dauert Jahre.

2001 veröffentlichten Saenger, Witt (TU) und Mitarbeiter die ersten Kristallstrukturdaten des Photosystems II mit einer Auflösung von 3.8Å und die des Photosystems I mit 2.5Å in der Zeitschrift „Nature“. In Kürze werden dort Bilder und Daten des PS II – aufgelöst bei 3Å – zu sehen sein. Über dem im Inneren versteckten Reaktionszentrum – bestehend aus Carotinen, Chlorophyllen, Pheophytinen, Plastochinonen, Lipiden und einem Mangan-Cluster, an dem die Wasserspaltung stattfindet – liegt die Unschärfe noch wie ein Nebelschleier. Und so werden auch jetzt noch Fragen bleiben. „Erst bei einer Auflösung von 1,5Å können wir die einzelnen Atome erkennen“, schränkt Saenger ein. Doch mit den neuesten Daten werden Physiker und Chemiker schon wieder etwas mehr verstehen von diesem scheinbar simplen Prozess, der in Wahrheit in Dutzende perfekt ineinander greifende Einzelschritte aufgefächert ist.

Um derartige Riesenmoleküle anzugehen, braucht es viel Erfahrung. Auch Wolfram Saenger hat einmal „ganz klein“ angefangen. Nach dem Chemiestudium in Darmstadt ging der gebürtige Frankfurter nach der Promotion 1965 als Postdoc nach Harvard. Im Arbeitskreis von Robert Burns Woodward, der im selben Jahr den Chemie-Nobelpreis erhielt, erlernte er das Handwerk der Röntgen-Kristallstrukturanlayse. An organischen Molekülen, die nur 20 bis 30 Atome enthielten. In Deutschland war diese Methode damals noch wenig entwickelt. 1967 kam Saenger zurück und baute am Göttinger Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin die Röntgen-Kristallstrukturanalyse auf. „Zur heutigen Zeit wäre das alles nichts geworden,“ sagt er kopfschüttelnd. „Um so was aufzubauen braucht es Zeit. Da kann man junge Wissenschaftler nicht ewig auf Tournee schicken – alle fünf Jahre woanders hin.“ 14 Jahre blieb er in Göttingen. Nach DNA-Fragmenten schickte er kleine Proteine wie das Cobratoxin, die alle Eiweißstoffe in der Zelle zerstückelnde Proteinase K, später das RNA-spaltende Enzym Ribonuklease T1 in den einergiereichen Röntgenstrahl. 1981 nahm er den Ruf an die Freie Universität Berlin an.

„Anfangs war es deprimierend“, erinnert er sich. „Hier wurden nur winzige Moleküle vermessen.“ Wieder leistete er Aufbauarbeit. Zur rechten Zeit, denn in den 1980-er Jahren setzte weltweit ein wahrer Boom in der Proteinstrukturanalyse ein. Medizin und Pharmazie erkannten das Potenzial der körpereigenen Eiweiße – als Angriffsziele für neue Pharmaka. Der Biochemie halfen die Proteinstrukturen beim Verständnis vieler biochemischer Prozesse. Einer von Saengers Beiträgen dazu war die Struktur des Tetracyclin-Repressors, mit dem sich Bakterien gegen Antibiotika wehren. „Unsere Gruppe wuchs und wuchs.“ Bald waren es 50 Mitarbeiter. Die Labors – inzwischen verteilt auf mehrere Gebäude – platzten aus allen Nähten. Trotz verlockender Angebote aus dem Ausland, blieb Saenger an der Freien Universität Berlin, wo er inzwischen in einem eigenen Stockwerk in der Takustraße arbeitet. 1987 erhielt er den Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), zwei Jahre später folgte der Humboldt-Preis.

Saenger blieb Berlin treu. „Ich habe hier alles was ich brauche.“ An interessanten Projekten und Kooperationspartnern mangelt es nicht. Viele seiner Schüler sind heute selbst Professoren und rund um den Erdball verstreut. Lockergelassen hat Saenger trotzdem nie. 1999 initiierte er den Sonderforschungsbereich 449 „Struktur und Funktion membranständiger Proteine“. Etwa um diese Zeit trat auch sein Kollege, Prof. Dr. Hans Lehrach (Deutsches Genomprojekt) vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik an ihn heran. „Wie lange brauchst Du für eine Struktur?“, war seine Frage. „Sechs Monate bis zehn Jahre“, Saengers Antwort. Das war viel zu lang. Und so brachten sie mit Gleichgesinnten die „Proteinstrukturfabrik“ auf den Weg. In Berlin werden nun Proteinstrukturen fast wie am Fließband ermittelt.

2004, im Alter von 65 Jahren, erhielt er nochmals einen Ruf aus den USA. Er blieb, wie immer, Berlin treu. Und handelte stattdessen aus, dass er noch ein paar Jahre an der Freien Universität Berlin weiterforschen darf. Bleibt an Projekten noch etwas zu wünschen übrig? Er überlegt nur kurz. „Rezeptoren, die Signale von außen in das Zellinnere weiterleiten (Signaltransduktion), reizen mich sehr. Und natürlich zeitaufgelöste Analysen des Photosystems II – in atomarer Auflösung bis ins letzte Detail!“ Ob die Proteinkristalle im Röntgenstrahl jemals mehr gefunkelt haben als seine Augen, wenn er von ihnen spricht, darf mit Recht bezweifelt werden.

Von Catarina Pietschmann