Albrecht Kossel: Der Pionier-Wissenschaftler, der die Chemie der Nukleinsäuren entschlüsselte und die Grundlagen der Zellbiologie legte (1910)

Nobel-Informationskarte

• Prämienjahr: 1910
• Fachgebiet: Physiologie oder Medizin
• Verleihungsbegründung: Für seine Beiträge zu unserem Wissen über Zellchemie, einschließlich Proteinen und Nukleinsäuren.
• Geboren: 16. September 1853, Rostock, Deutschland
• Verstorben: 5. Juli 1927, Heidelberg, Deutschland
• Nationalität: Deutsch
• Institution: Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

Leben und Bildung

Ludwig Karl Martin Leonhard Albrecht Kossel wurde am 16. September 1853 in Rostock, einer Stadt an der norddeutschen Küste, geboren. Sein Vater, Albrecht Karl Ludwig Enoch Kossel, war Konsul für Preußen und Direktor einer Schifffahrtsgesellschaft. Seine Mutter, Clara Jeppe, stammte aus einer kultivierten bürgerlichen Familie. Die kleine hanseatische Stadt Rostock an der Ostsee verfügte über eine renommierte Universität und bot eine fruchtbare Umgebung für die intellektuelle Entwicklung des jungen Kossel.

Kossel erhielt eine solide klassische Ausbildung am Gymnasium in Rostock. Er entwickelte schon früh ein Interesse für die Naturwissenschaften; besonders begeisterte er sich für Chemie und Botanik. Im Jahr 1872 immatrikulierte er sich an der Universität Straßburg, um sein Medizinstudium zu beginnen. Nach dem Deutsch-Französischen Krieg von 1871 war Straßburg dem Deutschen Reich angeschlossen worden, und seine Universität wurde als eine der modernsten wissenschaftlichen Institutionen Deutschlands neu organisiert.

In Straßburg trat Kossel der Arbeitsgruppe von Felix Hoppe-Seyler bei, einem der führenden Physiologen seiner Zeit. Hoppe-Seyler war einer der Begründer der physiologischen Chemie (moderne Biochemie) und hatte Pionierarbeit auf den Gebieten Hämoglobin, Lecithin und Cholesterin geleistet. Unter Hoppe-Seylers Anleitung erwarb Kossel Fähigkeiten in der chemischen Analyse biologischer Substanzen. Er erhielt seinen medizinischen Abschluss an der Universität Straßburg im Jahr 1878.

Der Wendepunkt in Kossels Karriere war seine Begegnung mit Friedrich Mieschers Entdeckung im Labor von Hoppe-Seyler. Miescher hatte 1869 eine phosphorreiche Substanz aus Leukozytenkernen isoliert, die er Nuklein nannte. Diese Substanz wies Eigenschaften auf, die sich von bekannten Proteinen und Lipiden unterschieden und schien ein grundlegender Bestandteil des Zellkerns zu sein. Hoppe-Seyler veröffentlichte Mieschers Arbeit und betonte die große Bedeutung der Aufklärung der chemischen Struktur dieser neuen Substanz. Kossel nahm diese Herausforderung an.

Im Jahr 1883 zog er nach Berlin und wurde Leiter der chemischen Abteilung am Physiologischen Institut von Emil du Bois-Reymond. 1895 wurde er zum Professor für Physiologie an der Universität Marburg ernannt. 1901 wechselte er an die Universität Heidelberg, wo er seine produktivste Zeit als Direktor des Physiologischen Instituts verbrachte. Kossels Privatleben war stabil; er heiratete 1886 Luise Holtzmann, aus dieser Ehe gingen Walther, Gertrude und eine Tochter hervor. Sein Sohn Walther leistete später selbst wichtige Beiträge zur Chemie.

Forschungstudien

Im Mittelpunkt von Kossels wissenschaftlicher Karriere stand die Aufklärung der chemischen Zusammensetzung des Zellkerns. Die Entschlüsselung der chemischen Struktur der von Miescher entdeckten Nukleinstoffe bildete die Grundlage für Kossels lebenslanges Forschungsprogramm. Diese Arbeit war eine der schwierigsten und wichtigsten Aufgaben der Biochemie am Ende des 19. Jahrhunderts.

Aufbauend auf den Erkenntnissen von Friedrich Miescher verfolgte Kossel einen systematischen Hydrolyseansatz, um die Strukturkomponenten der Nukleinsäuren zu identifizieren. Er zerlegte Nukleinsäuren unter kontrollierten Bedingungen und isolierte und charakterisierte die resultierenden Produkte. Durch diese mühevolle Arbeit entdeckte er, dass Nukleinsäuren aus vier grundlegenden stickstoffhaltigen Basen bestehen. Er identifizierte 1885 Adenin, 1891 Thymin und 1894 Cytosin. Guanin war bereits bekannt, aber Kossel bestätigte, dass es eine grundlegende Komponente der Nukleinsäuren ist. Außerdem identifizierte er Uracil und zeigte, dass es in bestimmten Arten von Nukleinsäure anstelle von Thymin vorkommt.

Diese Entdeckungen legten den Grundstein für die Nukleinsäurechemie. Kossel bestimmte die Strukturen von Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin und Uracil und zeigte, dass sie in zwei chemische Gruppen eingeteilt werden können: Purine (Adenin, Guanin) und Pyrimidine (Cytosin, Thymin, Uracil). Diese Klassifizierung wird auch heute noch in Lehrbüchern der Biochemie und Molekularbiologie auf dieselbe Weise gelehrt.

Eine weitere wichtige Leistung von Kossel war die Entdeckung und Charakterisierung der Histone. Histone sind basische Proteine, die eng mit den Nukleinsäuren im Zellkern verbunden sind. Kossel analysierte die Aminosäurezusammensetzung der Histone und zeigte, dass sie reich an basischen Aminosäuren wie Arginin und Lysin sind. Diese Arbeit war der erste Schritt zur Verständnis der Wechselwirkung zwischen Histonen und DNA; heute wissen wir, dass Histone eine entscheidende Rolle bei der Verpackung der DNA in Chromatin und bei der Regulierung der Genexpression spielen.

Kossel leistete bedeutende Beiträge auf dem Gebiet der Proteinchemie. Er vollendete die Entdeckung der Arginin-Aminosäure und identifizierte die Histidin-Aminosäure. Er untersuchte die Vielfalt und Verteilung von Aminosäuren, den Bausteinen der Proteine. Diese Studien legten den Grundstein für die Proteinchemie und ebneten den Weg für spätere Arbeiten von Emil Fischer zur Peptidsynthese.

Entdeckung, die zum Nobelpreis führte

Die Arbeit, die Kossel den Nobelpreis einbrachte, suchte nach Antworten auf grundlegende Probleme der Zellchemie: Woraus bestand der Zellkern? Was war die chemische Natur des genetischen Materials? Wie waren Proteine und Nukleinsäuren innerhalb der Zelle organisiert? Diese Fragen zählten zu den spannendsten Forschungsgebieten der Biochemie zu Beginn des 20. Jahrhunderts.

Kossels Forschung auf dem Gebiet der Nukleinsäuren war mit vielen technischen Schwierigkeiten konfrontiert. Die Isolierung von Nukleinsäuren in reiner Form, ihre Zersetzung unter kontrollierten Bedingungen und die Identifizierung der Zersetzungsprodukte stellten mit den analytisch-chemischen Methoden der damaligen Zeit äußerst anspruchsvolle Aufgaben dar. Kossel meisterte diese Herausforderungen durch geduldige und systematische Arbeit. Er charakterisierte jede Stickstoffbase, indem er sie in verschiedenen Lösungsmitteln kristallisierte, Elementaranalysen durchführte und ihre chemische Reaktivität untersuchte.

Kossel zeigte auch, dass Nukleinsäuren nicht ausschließlich aus Stickstoffbasen bestehen. Er bestimmte, dass Nukleinsäuren auch einen Zuckeranteil und Phosphorsäure enthalten. Die vollständige Aufklärung der chemischen Struktur des Zuckeranteils wurde jedoch später von Phoebus Levene abgeschlossen. Levene identifizierte die Zucker Ribose und Desoxyribose und offenbarte die strukturelle Differenz zwischen RNA und DNA. Kossels Arbeit bildete eine unverzichtbare Grundlage für Levenes Forschung.

Kossels Forschung zu den Histonen spielte auch bei der Nobel-Bewertung eine wichtige Rolle. Er zeigte, dass Histone mit einfacheren Basischeweißen namens Protaminen assoziiert sind. Kossel analysierte die Aminosäurenzusammensetzung von Protaminen, die in Fischspermienzellen vorkommen, und entdeckte, dass sie fast ausschließlich aus der Aminosäure Arginin bestehen. Diese Studien warfen Licht auf die chemische Natur von Protein-Nukleinsäure-Komplexen in Zellkernen.

Kossel entdeckte auch das Enzym Xanthinoxidase und identifizierte die enzymatischen Wege des Purinstoffwechsels. Diese Arbeiten trugen zum Verständnis der Pathogenese der Gicht bei. Seine Studien zum Nukleotidstoffwechsel legten die Grundlagen für dieses wichtige Gebiet der Biochemie.

Auszeichnungen und Nachwirkungen

Im Jahr 1910 wurde der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an Albrecht Kossel verliehen, der durch seine Beiträge zur Zellchemie, einschließlich Proteinen und Nukleinsäuren, herausragende Leistungen erbracht hatte. Kossel nahm den Preis persönlich bei der Zeremonie in Stockholm entgegen. In seiner Nobelvorlesung erläuterte er die grundlegenden Probleme der Zellchemie und die biologische Bedeutung der Nukleinsäuren. Er betonte, dass die Forschung noch in den Anfängen steckte und das Verständnis der biologischen Rolle der Nukleinsäuren zukünftigen Generationen vorbehalten bleiben würde.

Nach Erhalt des Nobelpreises setzte Kossel seine Forschung in Heidelberg fort. Er vertiefte seine Studien zur Proteinchemie und entwickelte theoretische Konzepte zur strukturellen Organisation von Proteinen. Im Jahr 1911 arbeitete er an Methoden zur Analyse von Peptidbindungen, um die Bausteine von Proteinen zu bestimmen. In dieser Zeit legte er auch großen Wert auf internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit und hielt Vorträge in vielen Ländern, darunter den Vereinigten Staaten.

Der Erste Weltkrieg hatte einen negativen Einfluss auf Kossels Karriere. Die internationale wissenschaftliche Kommunikation wurde unterbrochen und die Forschungsmittel waren begrenzt. Nach dem wirtschaftlichen Zusammenbruch Deutschlands nach dem Krieg verschlechterten sich die Bedingungen in den Universitätslaboren erheblich. Dennoch konnte Kossel trotz dieser schwierigen Umstände seine wissenschaftliche Produktivität aufrechterhalten.

Kossel trat 1924 von der Universität Heidelberg zurück, setzte aber seine Forschungstätigkeit fort. Er starb am 5. Juli 1927 im Alter von siebzig Jahren in Heidelberg. Sein Tod wurde als großer Verlust für die Welt der Biochemie betrachtet.

Erbe und Einfluss auf die Gegenwart

Das wissenschaftliche Vermächtnis von Albrecht Kossel lebt in den Grundlagen der Molekularbiologie und Genetik weiter. Die Entdeckung von Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin und Uracil war der erste und entscheidendste Schritt zur Verständnis der Struktur von DNA und RNA. Als James Watson und Francis Crick 1953 ihr Doppelhelix-Modell der DNA vorstellten, basierte ein Großteil des zugrunde liegenden chemischen Wissens stark auf Kossels Arbeiten aus der ersten Hälfte des vorigen Jahrhunderts.

Die Histonforschung von Kossel legte den Grundstein für das Feld der Epigenetik. Das Verständnis, dass Wechselwirkungen zwischen Histonen und DNA die Genexpression regulieren, führte in der späten Phase des 20. Jahrhunderts zur Entstehung der Epigenetik. Modifikationen von Histonen (Acetylierung, Methylierung, Phosphorylierung), die Hypothese vom Histon-Code und Chromatindynamik sind moderne Erweiterungen der von Kossel initiierten Forschungstradition.

Die Nukleinsäurechemie hat sich zu einem der dynamischsten Felder der Medizin entwickelt. mRNA-Impfstoffe, Gentherapien, die CRISPR-Genomeditierungstechnologie und nukleotidenbasierte Medikamente sind allesamt Produkte der wissenschaftlichen Tradition, die mit Kossels Bemühungen begann, die chemische Struktur der Nukleinsäuren zu entschlüsseln. Die Millionen von Menschenleben, die durch mRNA-Impfstoffe während der COVID-19-Pandemie gerettet wurden, sind ein eindrucksvolles Beispiel für die medizinischen Anwendungen der Nukleinsäurechemie.

Kossels Aminosäureforschung hat die Grundlagen der Proteinchemie und Proteomik gelegt. Das Verständnis der Beziehung zwischen Proteinstruktur und -funktion bildet die Grundlage für das moderne Medikamentendesign.

Weniger bekannte Fakten

• Als Kossel die vier grundlegenden Stickstoffbasen der Nukleinsäuren entdeckte, war ihm nicht bewusst, dass diese Stoffe genetische Informationen trugen. Es dauerte Jahrzehnte, bis die Experimente von Avery, MacLeod und McCarty im Jahr 1944 bestätigten, dass DNA das Material ist, das genetische Informationen trägt.
• Walther Kossel, ein bedeutender Wissenschaftler auf dem Gebiet der Physik, wurde für seine wesentlichen Beiträge zur Chemiebindungslehre bekannt. Das Kossel-Modell trägt seinen Namen.
• Die Entdeckung des Nukleins durch Friedrich Miescher inspirierte Kossel sehr. Miescher war in jungen Jahren verstorben, und Kossel setzte seine Forschung auf dem Gebiet des Nukleins fort.
• Kossel war ein äußerst methodischer und gewissenhafter Forscher. Er führte in seinem Labor detaillierte Aufzeichnungen über jedes Experiment, und diese Aufzeichnungen stellen für Wissenschaftshistoriker unschätzbare Primärquellen dar.
• Forscher aus der ganzen Welt strömten in das Labor in Heidelberg. Amerikanische, britische und japanische Biochemiker studierten unter Kossels Anleitung und gründeten nach ihrer Rückkehr in ihre Heimatländer eigene Forschungsprogramme.
• In einer Zeit, als die biologische Bedeutung der Nukleinsäuren noch unklar war, arbeitete Kossel. Damals glaubten viele Wissenschaftler, dass genetische Informationen von Proteinen getragen würden; die Rolle der Nukleinsäuren wurde unterschätzt.
• In seiner Nobelvorlesung sagte Kossel, dass die Forschung noch ganz am Anfang stehe. Diese bescheidene Einschätzung erwies sich als bemerkenswert zutreffend; die Nukleinsäuren wurden erst dreißig Jahre nach seinem Tod vollständig entschlüsselt.