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Chemie-Experiment im Cyberspace

Die drei US-Forscher Karplus, Levitt und Warshel erhalten Chemie-Nobelpreis

Statt reale Molekülmodelle zu basteln, simulieren Chemiker heute Reaktionen im Computer. (picture alliance / dpa / Fredrik von Erichsen)
Statt reale Molekülmodelle zu basteln, simulieren Chemiker heute Reaktionen im Computer. (picture alliance / dpa / Fredrik von Erichsen)

Wer passt zu wem? Welches Atom verbindet sich gern mit welchem Partner? Traditionell entschied das Experiment, heute leistet der Computer mehr in kürzerer Zeit. Martin Karplus, Michael Levitt und Arieh Warshel bekommen den diesjährigen <papaya:link href="http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/" text="Chemie-Nobelpreis" title="Nobelpreis für Chemie 2013 (nobelprize.org)" target="_blank" /> für ihren Beitrag zu Computersimulationen in der Chemie.

Modelle helfen Chemikern, den Aufbau von Molekülen besser zu verstehen. Früher verwendeten sie dazu Kugeln und kleine Stäbe, solche Modelle kennt mancher wohl noch aus der Schule. Heute finden Simulationen und Visualisierungen aber im Computer statt.

Als erstmals Computerprogramme in der chemischen Syntheseforschung eingesetzt wurden, musste sich ein Wissenschaftler entscheiden: Wollte er dabei sein, wenn Atome sich annäherten und zu Molekülen verbanden? Oder interessierte er sich für einzelne Bindungen? Wollte er die Akteure in Aktion oder reichten ihm Porträts der Mitspieler?

Beide Perspektiven spielten mathematisch betrachtet in völlig unterschiedlichen Welten. Das eine Problem verlangte Formeln der Quantenmechanik, für das andere behalf man sich besser mit klassischer Newtonscher Physik. Damit war der Spielraum begrenzt, eine Simulation konnte eine chemische Reaktion nicht umfassend nachzeichnen.

Chemie-Nobelpreisträger 2013: Martin Karplus, Michael Levitt und Arieh Warshel (v.l.)

Chemie-Nobelpreisträger 2013: Martin Karplus, Michael Levitt und Arieh Warshel (v.l.)


Das beste beider Welten

Karplus, Levitt und Warshel gelang es, beide Welten zu vereinen. Sie entwickelten komplexe Simulationsprogramme, die heute weltweit in Labors im Einsatz sind. Ganz gleich, ob es um die Optimierung von Katalysatoren geht oder um die Synthese neuer medizinischer Wirkstoffe: die Algorithmen, deren Entwicklung die Nobelpreisträger angestoßen haben, führen schneller zum Ziel.

Ihre Idee: Nur die Anteile eines Moleküls, die tatsächlich an der chemischen Reaktion beteiligt sind, mit den entsprechend aufwendigeren Modellen zu berechnen und alle anderen Regionen mathematisch als unbewegt anzusehen. Ein Ansatz, der die Vorteile beider Methoden nutzt, ohne deren Einschränkungen zu akzeptieren.

Damit hätten die drei ausgezeichneten Forscher den entscheidenden Beitrag geleistet, beide Ansätze zu vereinen und "das Beste aus beiden Welten" genommen, so das Nobelpreiskomitee in seiner Begründung. Ihre Methoden, die sowohl die klassische wie die Quantenphysik nutzten, seien die Grundlagen für Programme, die heute verwendet werden, um chemische Prozesse zu verstehen und vorherzusagen.

Die Preisträger

Martin Karplus, Staatsbürger der USA und Österreich. 1930 in Wien geboren, flüchtete 1938 vor den Nationalsozialisten mit seiner Familie in die USA.
Ph. D. 1953 am California Institute of Technology, USA.
Professeur Conventionné, Université de Strasbourg, Frankreich und Theodore William Richards Professor of Chemistry, Emeritus, Harvard University, Cambridge, MA, USA.

Michael Levitt, Staatsbürger der USA, Großbritanniens und Israels. Geboren 1947 in Pretoria, Südafrika. Ph.D. 1971 an der University of Cambridge, UK.
Robert W. and Vivian K. Cahill Professor in Cancer Research,
Stanford University School of Medicine, Stanford, CA, USA.

Arieh Warshel, Bürger der USA und Israels. Geboren 1940 im Kibbuz Sde-Nahum, Israel. Ph.D. 1969 am Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel. Distinguished Professor, University of Southern California, Los Angeles, CA, USA.

Harvard-Professor und Chemie-Nobelpreisträger Martin Karplus in seinem Haus in Cambridge wenige Momente nachdem er die Nachricht aus Stockholm erhalten hat. (picture alliance / dpa / Stephanie Mitchell / Harvard)Martin Karplus in seinem Haus in Cambridge wenige Momente, nachdem er die Nachricht aus Stockholm erhalten hat. (picture alliance / dpa / Stephanie Mitchell / Harvard)Schon in den 70er-Jahren hat Martin Karplus damit begonnen, chemische Prozesse zu simulieren. Zu dieser Zeit waren Computer auch in der Wissenschaft rar, erinnert er sich: "Wir haben das in Frankreich gemacht, Nur in Frankreich war ein Computer, der groß genug war." Auf diesem Gerät dauerte eine Simulation durchaus einen Monat - heute wäre sie in einer Minute durch, erzählt Martin Karplus im Gespräch mit dem Deutschlandfunk. Selbst in der eigenen Zunft wurden seine Simulationen zunächst skeptisch beäugt: "Die 'echten' Chemiker haben nicht daran geglaubt. Heute wird ein Chemiker zuerst gefragt: Haben Sie das auch gerechnet?"

Hören Sie das gesamte Gespräch, das Monika Seynsche mit Nobelpreisträger Martin Karplus geführt hat:



Martin Karplus fotografiert übrigens auch: Seine sehenswerten Aufnahmen bis zurück in die 50er-Jahre kann man sich auf seiner Webseite ansehen.

Professor Walter Thiel, Theoretischer Chemiker, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung:
"Die drei haben Multiskalenmethoden entwickelt, um große Moleküle und deren Reaktionen theoretisch beschreiben zu können. Man muss dabei zum einen schauen, wie sich chemische Bindungen neu bilden und brechen. Dazu muss man die Elektronen betrachten - das ist die Quantenmechanik. Man darf aber die Umgebung nicht vernachlässigen. [...] Dazu macht man das zweckmäßigerweise mit klassischen Kraftfeldern. Das heißt, die Kombination von zwei separaten Methoden zu etwas, was etwas ganz Neues gestattet - das ist glaube ich der Kern von der Leistung der drei."
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Letzte Änderung: 10.10.2013 23:11 Uhr

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