In diesem Vortrag werde ich versuchen, eine geistige Brücke von tierischer Bewegung zu einem Molekül zu schlagen,
das diese Bewegung möglich macht.
Zuerst möchte ich Ihnen ein Beuteltier zeigen, das ja auch im Titel des Vortrags vorkommt.
Das ist das Opossum, das einzige nordamerikanische Beuteltier.
Dieses Tier trägt seine Jungen wie die Kängurus in einem Beutel,
anders als plazentale Säugetiere wie wir es sind, jedenfalls ein Teil von uns.
Rechts sehen Sie das ATP-Synthase-Molekül, welches, wie bereits erwähnt wurde,
das Molekül ATP herstellt – die sogenannte Währung des Lebens.
Warum beginne ich mit dem Opossum?
Weil es die Fähigkeit hat, so auszusehen, als wäre es tot - daher kommt der Ausdruck „to play possum“, sich tot stellen.
Das ist ein Angstreflex.
Es verfällt in einen unfreiwilligen komatösen Zustand, hervorgerufen durch extreme Angst.
Für Raubtiere ist das Töten ihrer Beute ein wichtiger Teil der Jagd; nur so haben sie Spaß daran.
Wenn also das Opossum schon tot ist, gehen sie hoffentlich einfach weiter.
Und wenn das Opossum wieder aufwacht, ist es in Sicherheit.
Das Opossum tut aber noch mehr als das.
Es ist auch in der Lage, einen fauligen Geruch abzugeben, den ich hier nicht wiedergeben werde -
das macht es noch wahrscheinlicher, dass es vom Raubtier verschmäht wird.
Man möchte meinen, dass das Sich-tot-Stellen etwas sehr Seltenes ist.
Tatsächlich aber ist es weit verbreitet.
Es erhielt den Namen „tonische Immobilität“, was nicht bedeutet, dass wir irgendetwas davon verstanden.
Aber man vergibt eben gerne Namen; sie sind sehr wichtig, wenn man große Artikel in „Nature“ und dergleichen herausbringen will.
Jedenfalls stellte man fest, dass das Phänomen sehr häufig vorkommt.
Man findet es bei Insekten bis hin zu Säugetieren.
Entdeckt wurde es um das Jahr 1646 von einem Jesuitenpriester namens Kircher.
Er sah, dass Hühner sehr häufig umfielen.
Nach seiner Interpretation kommunizierten sie mit Gott;
sie machten ihren Frieden mit der Welt und wenn sie aufwachten, waren sie bereit, geschlachtet zu werden. (Lachen)
In diesem speziellen Fall brachte es also nichts fürs Überleben.
Hier sehen Sie die in Neuengland weit verbreitete Hakennasennatter, die Ihnen wahrscheinlich nichts sagt.
Doch auch sie kann so tot aussehen wie es nur geht.
Wie geht das vor sich?
Nun, heute ist bekannt, dass der Hypothalamus Ausgangspunkt dieser Reflexe ist
und dass Neurotransmitter eine wichtige Rolle spielen.
Das gibt mir die Möglichkeit, über meinen Großvater Johann Paul Karplus zu sprechen.
Er war Neurologe in Wien und fand heraus, wie der Hypothalamus funktioniert.
Für einen Teil des Gehirns ist das sehr interessant.
Er anästhesierte Katzen; dann schnitt er alle Nerven des Hypothalamus ab, stimulierte den Hypothalamus und stellte fest,
dass die Katzen diesen Angstreflex hatten, bei dem sich ihre Augen weit öffneten.
Daraus zog er den Schluss, dass dieser besondere Teil des Gehirns nicht über Nervenimpulse funktioniert,
sondern durch die Produktion von Hormonen.
Nur ein relativ begrenzter Teil des Gehirns verwendet Hormone.
Interessanterweise machte der Wissenschaftler Otto Loewi etwa 25 Jahre später etwas Ähnliches:
Er präparierte ein Froschherz, stimulierte den Vagusnerv, was das Herz schneller schlagen lässt,
legte das Froschherz in eine Lösung, legte dann ein anderes Froschherz in die Lösung
und stellte fest, dass es ebenfalls schneller schlug - als würde es angeregt.
Dafür bekam er 1938 den Nobelpreis.
Mein Großvater, der das schon 1900 entdeckt hatte, bekam keinen Nobelpreis.
So ist läuft eben mit Nobelpreisen.
Lassen Sie mich jetzt über etwas sprechen, das mit dem zusammenhängt, wofür der Nobelpreis verliehen wurde.
Ich lese vor: „Obwohl die Bewegungsgesetze für Atome quantenmechanisch sind“ - was Sie als Physiker besser wissen als ich –
„besteht die wesentliche Erkenntnis, welche die Behandlung der Dynamiken komplexer Systeme ermöglichte, darin,
dass eine klassische mechanische Beschreibung der atomaren Bewegungen in den meisten Fällen ausreichend ist.“
Vor allem bei Zimmertemperatur, in der die meisten von uns leben.
Was mich betrifft - ich untersuchte im Jahr 1960 eine sehr einfache Reaktion, nämlich die Austauschreaktion H+H2 –
die Kollision eines Wasserstoffatoms mit einem Wasserstoffmolekül bringt ein neues Wasserstoffmolekül hervor, ein Atom.
Und wir fanden Folgendes heraus:
Wenn wir Newtons Gleichung, F = ma, mithilfe eines näherungsweise quantenmechanisch berechneten Potentials
Schritt für Schritt lösen, erhalten wir die Reaktionsquerschnitte in sehr guter Übereinstimmung mit den Experimenten,
die zunächst begrenzt waren - und dann, zehn Jahre später, mit vollständigen quantenmechanischen Berechnungen.
Wenn sich also Wasserstoffatome, die leichtesten Atome, die man als am stärksten quantenmechanisch erwarten würde,
durch klassische Mechanik behandeln lassen - Proteine oder DNA.
Und andere bestehen aus Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und sind schwerer,
auch wenn die Proteine zur Hälfte aus Wasserstoffatomen bestehen.
Dann sollte man in der Lage sein, das zu tun, was wir an einem Computer mit H+H2 machten,
mit einem System, das wie Myoglobin 1.500 Freiheitsgrade aufweist.
Und genau das taten wir.
Nun - meine Chemikerkollegen sagten: Mit diesen kleinen Molekülen können wir nicht richtig arbeiten.
Du bist verrückt, wenn du glaubst, dass du interessante Resultate für große Moleküle wie Proteine erhalten kannst.
Und die Biologen sagten: Auch wenn du diese Resultate erhältst, hätten wir daran kein besonderes Interesse.
Ich möchte hier auf etwas Wichtiges hinweisen: Wenn man als Student eine gute Idee hat,
dann sollte man diese Idee weiterverfolgen und sich das von niemandem ausreden lassen.
Ich stelle jetzt eine Frage: Was macht Moleküle und biologische Systeme so besonders?
Nun - mit F = ma, wenn wir Newtons Gleichung lösen, haben wir links ein menschengemachtes Polymer, das 153 Einheiten enthält.
Die Seitenkette ist eine Methylgruppe.
Rechts sehen Sie ein von der Natur gemachtes Polymer, Myoglobin, das ebenfalls 153 Einheiten enthält.
R sind die Seitenketten, die, was Sie natürlich schon gewusst und in diesen Vorträgen immer wieder gehört haben,
die Struktur des Moleküls, die Sequenz der Aminosäuren bestimmen.
Und wenn wir sie jetzt in Bewegung sehen, gibt es wirklich keinen besonderen Unterschied.
Sie könnten das menschengemachte Molekül nicht vom natürlichen unterscheiden.
Was also ist das Besondere an den Molekülen in biologischen Systemen?
Ein Schlüssel zu diesen Gedanken stammt von Richard Feynman, aus seinen berühmten Vorlesungen.
Feynman hatte bereits einen Namen, als man die Quantenelektrodynamik diskutierte, aber er interessierte sich für alles.
Er schrieb: „Alles, was lebendige Wesen tun, lässt sich ausgedrückt durch das Wackeln und Schwänzeln von Atomen verstehen.“
Als ich an diesem Thema, nun ja, forschte - es war keine chemische Forschung, ich wollte einfach nur besser verstehen,
was alles geschehen kann - stieß ich interessanterweise auf die Schriften von Titus Lucretius, ein römischer Dichter.
Soweit wir wissen, schrieb er ein Gedicht mit dem Titel „Die Natur der Dinge.“
Er schrieb: „Die Atome sind ewig und immer in Bewegung.
Alles entsteht einfach aus den zufälligen Bewegungen von Atomen, die, wenn sie genug Zeit haben,
Formen annehmen und sich neu formen, wobei sie ständig mit verschiedenen Konfigurationen von Materie experimentieren,
woraus letztlich alles entsteht, was wir kennen.“
Das ist in gewisser Weise sehr ähnlich, vielleicht etwas poetischer.
Feynman war nicht wirklich poetisch; er brachte einfach auf den Punkt, was er zu sagen hatte.
Aber es ist der gleiche Gedanke.
Und wenn man in der Geschichte noch weiter zurückgeht, dann stellt man fest,
dass schon die Griechen - Demokrit und andere Philosophen - ziemlich konkrete Vorstellungen von Atomen hatten.
Sie wussten, dass Atome in Festkörpern fester aneinander gebunden sind
und dass sich Atome in Flüssigkeiten aneinander vorbei bewegen können.
Das war etwa 300 v. Chr.
Und dann ging diese Information vollständig verloren.
Erst John Dalton führte mit seiner atomischen Theorie diese Idee im 19. Jahrhundert wieder ein, natürlich mit mehr Tatsachendaten.
Er wusste nichts über die Leistungen der Griechen.
Das ist wieder etwas, was man sich merken muss: Wenn jemand eine wichtige Entdeckung macht,
die sich aber auf die Zukunft der Wissenschaft nicht auswirkt, ist sie dann nützlich oder nicht?
Der Einzelne mag sich denken: Ich habe wirklich etwas Großartiges entdeckt.
Aber es bringt die Wissenschaft nicht weiter.
Werfen wir nun einen Blick auf zwei bestimmte Moleküle, die Sie alle kennen; wir haben das an diesem Beispiel gesehen.
Jedes Atom hat bei Zimmertemperatur eine kinetische Energie von 3 kt.
Wir haben von der Brownschen Molekularbewegung gehört; sie bewegen sich mehr oder weniger zufällig.
Wie macht die Natur aus dieser zufälligen Bewegung des einzelnen Atoms etwas Nützliches?
Die Antwort ist: Sie hat Strukturen entwickelt, die für das, was sie tun sollen, den einfachsten Weg findet –
zum Beispiel den mit dem niedrigsten Bedarf an freier Energie.
Hier sehen Sie ein Enzym.
Links ist die offene Struktur des Enzyms, rechts weist es eine geschlossene Struktur auf.
Denken wir kurz über Enzyme nach - es spielt keine Rolle, was es genau tut, aber Folgendes ist wichtig:
Die Natur sucht nach einem Weg, die Substrate zur katalytischen Stelle zu bringen, wo sich alles abspielt –
Sie haben in den früheren Vorträgen viel über Enzyme gehört.
Dann möchte sie diese Region von der Lösung isolieren, um eine durch Wasser hervorgerufene Nebenreaktion zu vermeiden.
Und nachdem die Reaktion stattgefunden hat, muss es sich wieder öffnen und die Produkte freisetzen.
Ich zeige Ihnen jetzt - das ist die Animation eines Enzyms,
das eine Phosphatgruppe von einem Adenosin-Diphosphat auf ein anderes überträgt.
Ich zeige Ihnen die Animation.
Links sehen Sie, wie die zwei Substrate hereinkommen, und wenn Sie im Inneren sind,
schließt sich der Deckel über ihnen und sorgt für diesen katalytischen Reaktor, den das System braucht.
Wenn Sie, nachdem die Reaktion stattgefunden hat, auf rechte Seite achten,
dann können Sie sehen, wie sich eine der Phosphatgruppen hinüberbewegt.
Ist das geschehen, öffnet sich das System erneut, und die Produkte wandern nach draußen.
Wie hat die Natur das gemacht?
Denken Sie daran: Wir haben es mit zufälligen Bewegungen zu tun.
Sehen Sie, was ich hier mit grünen Linien dargestellt habe: Die Evolution hat diese Scharniere eingeführt.
Damit ist es sehr einfach - der Deckel benötigt weniger freie Energie, um sich über dem Kern zu schließen.
Auch andere Bewegungen - eher das Wackeln von Feynman, weniger dieses Schwänzeln - tragen dazu bei, dass das möglich wird.
Doch das übergreifende Schließen ist der Tatsache geschuldet, dass dies die einfachste Bewegung ist.
Lassen Sie mich nun über ein anderes System sprechen, nämlich über Kinesin.
Das ist ein Motor, der auf Mikrotubuli läuft.
Auch wenn Sie vielleicht Bilder von Zellen gesehen haben, die wie ein großes Durcheinander aussehen –
sie beinhalten eine große Zahl verschiedener Moleküle -, sind sie trotzdem organisiert.
Vor allem Zellen haben Schienen, die von einem Ende der Zelle zum anderen verlaufen.
Kinesin ist ein Molekül, das zwei globulare katalytische Einheiten oder Füße aufweist, die auf den Mikrotubuli laufen.
Dann kommen sie zusammen und bilden eine Doppelwendel,
und an der Spitze ist ein Bläschen, über dessen Struktur man eigentlich nichts weiß.
Deshalb ist es hier nicht zu sehen.
Und in diesem Teil des Moleküls transportiert es Dinge von einem Teil der Zelle zu einem anderen.
Sehen wir uns an, was das System tut.
Ich habe über ATP gesprochen - Sie sehen: Wenn sich ATP bindet, in diesem Augenblick,
wird der andere Fuß nach vorne geworfen, der linke Fuß, und wenn wir weiter zusehen –
nochmal: der Mechanismus ist komplizierter - kommt ATP herein und der rechte Fuß wird nach vorne geworfen und so weiter.
Hier sehen wir eine mikroskopische Aufnahme.
Das ist in Echtzeit, aber etwa um das Zehnmillionenfache vergrößert.
Sie sehen die Schienen und Sie sehen, wie die Kinesin-Moleküle auf ihnen gehen - wie sie sich auf ihnen bewegen;
Sie können natürlich nicht sehen, dass sie gehen.
Sie bewegen sich in beide Richtungen, was bedeutet, dass es verschiedene Arten von Kinesin gibt,
da sich einige in die eine Richtung bewegen und andere in die andere Richtung.
Gehen wir zurück und sehen und wir uns das nochmal an:
Da geht der linke Fuß nach vorne,
dann der rechte Fuß, und so weiter.
Ich habe das immer so beschrieben: Für mich sieht das aus wie das Gehen eines Mannes mit künstlichen Beinen.
Aber dank Boston Dynamics, wovon Sie schon viel gehört haben - Google hat es gekauft, sie sind sehr schlau.
Jemand sagte über die Hunde: Nun, es ist schwer, auf vier Füßen zu laufen.
Doch hier ist jemand, der auf zwei Füßen läuft, und zwar ganz so, wie Kinesin auf Mikrotubuli läuft.
Ich habe mit den Leuten von Boston Dynamics gesprochen,
und sie wussten natürlich nichts über Kinesin und darüber, dass die Natur das zuerst erfunden hatte.
Trotzdem sehen wir es hier.
Derartige Motoren sind natürlich deshalb von Bedeutung, weil sie etwas tun.
Insbesondere ziehen sie dann, wenn sich die Zelle teilt, den genetischen Teil der Tochterzelle auseinander.
Wenn man Kinesine hemmt, kann man vielleicht die Reproduktion, die schnellere Reproduktion von Krebszellen hemmen.
Das macht man sich zunutze.
Sie haben außerdem - ich glaube, das wurde schon erwähnt – Bedeutung im Gehirn und in anderen Teilen des Systems.
Wie Sie wissen, hat der Nerv normalerweise einen Zellkörper.
Außerdem hat er häufig ein langes Axon, sehr lang im Fall des Riesenkalmar-Axons.
Dann trifft er auf den nächsten Körper, um Informationen zu übertragen.
Der Nerv muss über dieses Axon Nahrung erhalten, und ein Kinesin bringt sie.
Was ich außerdem noch erwähnen möchte: Wir haben gehört, wie sie den Antibiotika entgehen und dergleichen.
Sie haben gelernt, dass sie dann, wenn sie auf ein Kinesin-Molekül springen,
in ungefähr zehn Minuten von einem Teil der Zelle zum nächsten kommen - und nicht erst in zehn Stunden.
So lange würde es mit der Brownschen Molekularbewegung dauern.
Myoglobin ist ein äußerst wichtiges Molekül; das habe ich schon erwähnt.
Sehr große Mengen davon gibt es vor allem in den Muskeln von tauchenden Säugetieren,
denn es speichert den Sauerstoff, der für den aeroben Stoffwechsel nötig ist.
Eine effiziente Art und Weise, ATP zu erzeugen - das brauchen sie, damit ihre Muskeln arbeiten können.
Das verschafft mir den Vorwand, Ihnen diese Delfine zu zeigen.
Jemand hat einmal bemerkt, dass Delfine, wenn sie durch ständige Schwimmbewegungen 350 Meter tauchen wollen,
20 % mehr Sauerstoff benötigen als sie in Myoglobin speichern können.
Man hat die Delfine unter Wasser fotografiert.
Und man hat festgestellt, dass sie nicht ständig schwimmen.
Im Wesentlichen schlagen sie einmal mit der Schwanzflosse, dann gleiten sie und dann kommt der nächste Flossenschlag.
Und dadurch, durch dieses stille Gleiten, können sie so tief tauchen.
(Spielt Video von Delfinen ab.)
Hier hören Sie, wie sie miteinander reden.
Sie schwimmen paarweise.
Sie können die Bewegungen der Schwanzflossen sehen.
Sie machen viel Spaß, und man versucht natürlich, Delfine zu studieren.
Ich zeige Ihnen noch ein Video, das überhaupt nichts konkret mit meinem Vortrag zu tun hat, aber es ist wirklich spektakulär.
Das sind Delfine, die sich drehen.
Passen Sie auf - hier kommt er - er dreht sich um sich selbst.
Wir wissen nicht, warum sie das tun - ob es ihnen einfach Spaß macht oder ob sie vor einem Weibchen angeben wollen.
Wie wir alle wissen, waren Delfine Gegenstand vieler Studien,
und viele Leute glauben, dass sie fast wie Menschen miteinander kommunizieren.
Doch zurück zum Sauerstoff. (Lachen)
Wir haben schon darüber gesprochen; Sauerstoff wird zur Herstellung von ATP verwendet.
Wir haben gesehen, wie das für den Gang der Kinesin-Moleküle genutzt wird.
Es wird aber auch in Synthesereaktionen verwendet.
Vielleicht sollte ich erwähnen - Sie können das dieser Folie entnehmen;
sie ist auf Französisch, weil ich diesen Vortrag zuerst in Frankreich gehalten habe –
dass ATP plus Wassermoleküle zu ADP plus PI plus ein Wasserstoffatom hydrolysiert.
Das setzt unter normalen Bedingungen etwa 7,3 Kilokalorien frei.
Wenn das nur im Wasser geschehen würde, dann würde es nur die Temperatur erhöhen.
Sie wissen ja: Eine Kilokalorie erhöht die Temperatur von einem Liter Wasser um ein Kelvin.
Das wäre eine sehr ineffiziente Verwendungsmöglichkeit.
Wir nutzen es, um Motoren zum Laufen zu bringen.
Und wir nutzen es auch dazu, das Gleichgewicht von Synthesereaktionen,
die wir zur Herstellung von Aminosäure und Fetten und so weiter benötigen, zu verschieben.
Sehen wir uns einmal den ATP-Stoffwechsel an.
Das kam bereits zur Sprache; ich weiß nicht mehr in welchem Vortrag.
Ein sitzender Erwachsener verbraucht etwa 40 Kilogramm täglich - sitzende Erwachsene wie wir.
Ein Läufer verbraucht diese Menge bei einem Rennen oder so etwas.
Das Interessante daran ist: In unserem Körper speichern wir nur eine sehr geringe Menge, 250 Gramm.
Die Rechnung sagt uns, dass alles ATP, das wir haben, in etwa zehn Minuten verbraucht wäre; es wäre vollständig hydrolysiert.
Deshalb muss dafür gesorgt werden, dass es auch wieder rückwärtsgeht.
ATP wird ständig aus ADP und PI synthetisiert.
Und jedes ATP-Molekül wird etwa 500-mal am Tag verwendet.
Wo geschieht das?
Es geschieht in den Mitochondrien.
Die sind etwa so groß wie Bakterien.
Manche sind der Ansicht, dass sie tatsächlich Bakterien waren und in die Zellen integriert wurden.
Das ist eine niedrig aufgelöste mikroskopische Aufnahme.
Wenn man eine Zeichnung davon anfertigt, kann man die verschlungene innere Membran sehen,
auf der sich kleine Stäbchen mit Bällen darauf befinden.
Und das sind die ATP-Synthase-Moleküle.
Auf dieser vergrößerten mikroskopischen Aufnahme sind sie zu sehen.
Im Wesentlichen produziert der Sauerstoff mit der Energie aus Glukose durch aerobe Produktion
38 ATP-Moleküle für sechs Sauerstoffmoleküle; darauf habe ich wiederholt hingewiesen.
Hier noch einmal die Zahlen: Pro Zelle gibt es Tausende von Mitochondrien mit jeweils 15.000 ATP-Synthesen.
Damit gibt es 30 Millionen ATP-Synthesen pro Zelle.
Kommen wir zurück zu dem, was ich am Anfang gezeigt habe:
Dieser ATP-Synthase-Motor hat drei Beta-Untereinheiten, das sind die aktiven;
drei Alpha-Untereinheiten, die auch etwas beitragen und eine Gamma-Untereinheit, die durch den inneren Teil verläuft.
Wenn man jetzt ATP und PI dazugibt und das Ganze mit der in der Membran befindlichen F0-Synthase verbunden ist,
die einen Wasserstoffgradienten aufweist, über den bereits gesprochen wurde –
Peter Mitchell erhielt den Nobelpreis für seine Theorie, dass Wasserstoffgradienten wichtig sind –
wird die Untereinheit in der Membran gedreht, was wiederum die Gamma-Untereinheit dreht,
was insbesondere Konformationsänderungen der Beta-Untereinheiten hervorruft, um ATP zu synthetisieren.
Diesen Motor kann man rückwärts laufen lassen.
Man kann nämlich dem Motor ATP beifügen - üblicherweise trennt man ihn vom Membranteil und stellt dann fest,
dass er als ein Motor funktioniert, der die hier befindliche Gamma-Untereinheit dreht.
Zum ersten Mal wurde das von Kinoshita und seiner Gruppe in Japan demonstriert.
Diese Gruppe in Japan hat wunderbare Arbeit zu einzelnen Molekülen geleistet,
die für das Verständnis molekularer Motoren wie der ATP-Synthase äußerst wichtig war.
Sie taten Folgendes: Wenn wir das Ganze umdrehen - sie brachten ein wirksames Filament an –
das hat nichts mit dem auf Aktin wandernden Myosin zu tun; es ist einfach ein großes Molekül und damit leicht zu sehen.
Hier sehen Sie die Drehung.
Bei einem so großen Molekül gibt es natürlich einen starken Reibungswiderstand.
Verwendet man ein kleines Goldteilchen unter idealen Bedingungen,
schafft dieser kleine Motor etwa 1.000 Umdrehungen in der Sekunde.
Erst vor kurzem gewann man eine Erkenntnis, die an Ada Yonaths Vortrag über das Ribosom anknüpft:
Weissman und seine Kollegen veröffentlichten im Jahr 2014 eine Studie, wonach sie die absolute Proteinsyntheserate
verschiedener Verbindungen, etwa eines Kolibakteriums und insbesondere der ATP-Synthase, bestimmen konnten.
Sie fanden heraus, dass das Ribosom - lassen Sie es mich so sagen:
Die ATP-Synthase hat 10 E-Untereinheiten, die sich in der Membran befinden, sowie drei Alpha- und drei Beta-Untereinheiten,
und das Ribosom stellt sie genau in dem Verhältnis her, das für die Herstellung des ganzen Moleküls erforderlich ist.
Anders ausgedrückt: Es stellt keine überschüssigen Alpha-Untereinheiten her.
Einerseits spart es Energie, andererseits vermeidet es das Auftreten isolierter Untereinheiten,
die statt der normalen Proteine diese organisierten Kügelchen bilden.
Das ist eine erst vor kurzem gewonnene, ganz neue Erkenntnis.
Lassen Sie mich zum Schluss noch eine Verbindung zum Hauptvortrag ziehen.
Ich sagte: Wenn die ATPase - so wird sie genannt, wenn der Membranteil fehlt - als Motor agiert,
dann lässt sie, wenn man ATP zuführt, die Gamma-Untereinheiten rotieren.
Wir führten hiervon ein paar Simulationen durch, wobei wir – ich zeige Ihnen nur die Beta-Untereinheiten - die aktiven
dazu brachten, sich auf ihre Art und Weise zu öffnen und zu schließen; dann beobachteten wir die auftretende Rotation.
Und wieder sehen Sie Feynmans leichtes Schwänzeln, bevor irgendetwas geschieht;
dann das Wackeln, die größere Bewegung - das geht in Schritten von 35 und 85 Grad, und mit 3 Drehungen sind 360 Grad vollzogen.
Aber Sie haben gesehen, dass das Öffnen und Schließen der Untereinheiten der auslösende Faktor war,
der die Drehung hervorgerufen hat.
Man fragt sich natürlich: Wie führt eine solche Ein- und Aus-Bewegung zu einer Drehung?
Die Antwort kennen Sie wahrscheinlich schon.
Wir blicken jetzt von oben auf das Molekül - das ist die Gamma-Untereinheit, das Rote ist das Methionin, von dem man weiß,
dass es sehr wichtig ist; wenn man mutiert, funktioniert es nicht.
Und wenn wir darauf achten, was geschieht, können Sie sehen, dass - wir wiederholen das - eine der Beta-Untereinheiten
die Gamma-Untereinheit buchstäblich aus dem Zentrum tritt.
Und wenn sie hier in diesem Kolben gehalten wird, dreht sie sich, wenn man sie aus dem Zentrum tritt.
Das ist die Handlungsweise, die sich die Natur ausgedacht hat.
In einem Stirlingmotor, den ich jetzt nicht zeige, wird dasselbe Prinzip angewandt.
Das sind diejenigen, die mitgewirkt haben.
Vieles stammt aus Artikeln.
Einige mit Erlaubnis, von den anderen nahmen wir an, dass es in Ordnung geht,
wenn es im Internet frei verfügbar ist und man die Quelle angibt.
Das sind einige der Studenten, die daran gearbeitet haben.
Nun komme ich zur letzten Folie, die ich bei meinem Nobelpreis-Vortrag gezeigt habe und auf der stand,
dass Anwendungen und Simulationen im Lauf der Zeit für immer komplexere Systeme herangezogen werden - Viren, Ribosome, Zellen.
Einiges davon geschieht im Gehirn.
Ich will ihnen als Beispiel ein Gehirn zeigen, das wir gerade untersuchen.
Es geht um diesen kleinen Wurm.
Dieser kleine Wurm ist etwas ganz Besonderes.
Eineiige Zwillinge bei Menschen haben keine identischen Gehirne, was auf eine gewisse Zufälligkeit im Gehirn zurückzuführen ist.
Doch bei diesem kleinen Wurm ist alles genetisch festgelegt, wie Sydney Brenner vor langer, langer Zeit im Jahr 1986 gezeigt hat.
Damals sezierte er das Gehirn und sah es sich an.
Und er zeigte, dass es 302 kleine Neuronen gab; jeder kleine Wurm hatte 302 Neuronen und etwa 6.400 Synapsen.
Bei einer Population von Würmern, die alle dieselbe genetische Konstitution haben, sind also wirklich alle identisch.
Bei einem Blick in die PNAS stieß ich auf eine Arbeit der Gruppe von Aravinthan Samuel, die sich mit diesen Würmern befasst hatte.
Sie nahmen Platten, die zehnmal zehn Zentimeter groß waren.
Sie lagen eng nebeneinander, weshalb sich die Würmer nur in zwei Dimensionen bewegten, was die Analyse der Bewegung vereinfachte.
Und sie fanden Folgendes heraus - das dachten sie jedenfalls: Wenn sie den Wurm um 15 Grad anhoben –
vielleicht kann ich Ihnen etwas von der Bewegungsbahn zeigen - wenn sie also den Wurm um 15 Grad anhoben
und einen Temperaturgradienten entlang der x-Achse, aber keinen Gradienten entlang der y-Achse hatten,
würden die Würmer in der Region bleiben, in der sie angehoben wurden.
Soweit ich das sehe, untersuchten sie diese Bewegungsbahnen nur aus statistischen Gründen.
Doch ich wusste, dass wir bei der Untersuchung der Proteinfaltung Bewegungsbahnen analysiert hatten,
Bewegungsbahnen der Proteinfaltung.
Und ob sie jetzt von den Würmern oder von uns stammten, durch Proteine, konnten wir sie auf dieselbe Weise analysieren.
Dahinter steht im Wesentlichen die Vorstellung, dass wir all diese Bewegungsbahnen zusammen erfassen können
und statistisch aussagekräftige Resultate erhalten.
Die Einzelheiten unserer Erkenntnisse lasse ich weg.
Wir fanden Folgendes heraus: Für die zusammengefassten Ergebnisse benötigen wir ein Markov-Modell,
das einen bestimmten Zeitraum zwischen der Aufzeichnung der Ergebnisse ergab.
Wir drückten es in freier Energie aus, was nichts anderes als Wahrscheinlichkeit ist.
Sie sehen, dass die freie Energie entlang der x-Achse, wo der Gradient war, hoch ist,
was bedeutet, dass sie den Würmern nicht gefällt.
Entlang der niedrigen Temperatur ist sie hoch, doch entlang der hohen Temperatur kann man nicht erkennen,
dass die Würmer sie nicht mögen.
Das war eine große Überraschung für jene, die die Analyse durchgeführt haben, und es zerstörte buchstäblich viele Dogmen.
Blickt man in Richtung der y-Achse, wo kein Gradient war, erhält man einheitliche zusammengefasste Ergebnisse.
Im Nachgang hierzu arbeiten wir zurzeit an einem Beitrag, in dem wir diese Ergebnisse beschreiben.
Interessant für Sie aber ist, dass wir etwas aus einem ganz anderen Feld - Proteinfaltung - herangezogen hatten
und in der Lage waren, hiermit die Bewegungen dieser Würmer zu analysieren.
Auf zwei Dinge möchte ich noch zu sprechen kommen.
Das eine ist: Jean-Pierre Changeux, ein berühmter Neurowissenschaftler, hat gesagt,
dass jeder Wissenschaftler einen geheimen Garten haben sollte.
Wir wissen, dass viele Wissenschaftler Musiker sind.
Ich bin überhaupt nicht musikalisch.
Meinen geheimen Garten sehen Sie hier - es ist die Fotografie.
Ich mache einen schnellen Durchlauf, ein paar Fotografien.
Das ist in Deutschland, im Moseltal.
Sie sehen all die Weinberge, die sich über die Hügel erstrecken.
Das ist Hongkong, als es noch wie ein kleines Dorf aussah
und nicht wie das Hongkong, das man heute sieht - nichts als Wolkenkratzer.
Ich lasse die Bilder einfach durchlaufen, nur, um sie Ihnen zu zeigen.
Das ist Israel.
Das ist ein Selbstporträt von mir und meiner Leica.
Zum Schluss möchte ich noch ein Zitat vorlesen.
Es stammt aus einem Interview, dem letzten Interview, das ein guter Freund von mir gegeben hat.
Er ist leider von uns gegangen - Alex Rich, ein berühmter Wissenschaftler.
Er war auf einer von Ada Yonaths Folie zu sehen, im Rahmen einer Danksagung dafür,
dass er an der Gründung des Weizman-Instituts beteiligt war.
Ich lese Ihnen das einfach mal vor.
„Ganz junge Kinder interessieren sich für alles; sie versuchen ständig, die Welt um sich herum zu verstehen.
Wenn sie zur Schule gehen, geschieht es oft,
dass man ihnen das Bekannte auf eine Art und Weise beibringt, die ihre Neugier erstickt.
Wissenschaftler sind diejenigen Erwachsenen, die sich für die Welt immer noch so stark interessieren,
wie sie das als kleine Kinder getan haben.“
Vielen Dank.
(Applaus)