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21. Juli 2005

Das erste Zentrum für Quantitative Biologie in Europa feiert Richtfest

Zentral platziert zwischen den Instituten der Biowissenschaften, der Chemie, der Physik, der Mathematik und der Medizin – Ansprache zum Richtfest des Neubaus BIOQUANT von Gründungsdirektor Professor Jürgen Wolfrum

"Magnifizenz, Herr Bürgermeister, Herr Architekt Staab, Herr Baudirektor Stroux, meine Damen und Herren!

Richtfest Bioquant
Richtfest Bioquant
Foto: Rothe

Zunächst möchte ich mich im Namen von BIOQUANT, dem ersten Zentrum für Quantitative Biologie in Europa, bei allen bedanken, die mitgeholfen haben, dass wir heute das Richtfest dieses eindrucksvollen Neubaus für die lebenswissenschaftliche Forschung, wunderbar zentral platziert zwischen den Instituten der Biowissenschaften, der Chemie, der Physik, der Mathematik und der Medizin, feiern können. Von meinem Dienstzimmer im Physikalisch-Chemischen Institut konnte ich nun über ein Jahr dieses Gebäude wachsen sehen und ich war beeindruckt von dem Eifer, mit dem Tag und Nacht, werktags und feiertags, Sommer und Winter ohne Unterbrechung gearbeitet wurde. Ich habe mich auch sehr gefreut, dass Sie Herr Staab, den Wettbewerb hier gewinnen konnten. Nicht nur, weil ich eindrucksvolle Bauten von Ihnen kenne, sondern weil ich auch denke, dass Ihnen die Forschungsbereiche Chemie, Biochemie und Medizin von Ihrem Vater her vertraut sind.

Herzlichen Dank, Ihnen allen! Früher musste ja wohl der Nutzer den Nagel in den letzten Dachbalken einschlagen. Das bleibt mir nun, Gott sei Dank, erspart, denn wir haben ja keine Dachbalken. Meistens wurde dieser letzte Balken ja versteckt und es hat dann schon einige Kästen Bier gekostet, ihn zu finden.

Nun ein paar Worte zu der Wissenschaft, die hier gemacht werden soll. ‚Phantasie ist wichtiger als Wissen', so möchte ich im Einsteinjahr Albert Einstein zitieren. Phantasie wird durch die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern aus unterschiedlichen Disziplinen angeregt, wenn sie sich in einem Gebäude über den Weg laufen. Vor einigen Jahren konnten wir hier das Nachbargebäude 229 beziehen, das im November 1997 Richtfest hatte. Hier haben in den letzten Jahren erfolgreich Mathematiker, Physiker, Chemiker und Ingenieure gemeinsam an der Optimierung von technischen Verbrennungsprozessen mit Hilfe von mathematischen Simulationen in Verbindung mit berührungsloser laserspektroskopischer Analyse in dem von Heidelberg aus initiierten Forschungsverbund ‚TECFLAM' gearbeitet. Wenn Sie sich demnächst ein neues Auto kaufen, dann werden darin Motoren sein, die mit den in Heidelberg entwickelten Methoden optimiert wurden. Diese Motoren haben keinen Vergaser mehr, sondern das Benzin wird direkt in den Motorbrennraum eingespritzt. Dadurch arbeitet der Motor nicht mehr als Pumpe und vergeudet damit unnötig Treibstoff. Diese neuen Benzinmotoren verbrauchen genauso wenig Kraftstoff wie beim Dieselmotor, aber bilden dabei keinen Russ und weniger Stickoxide.

Im BIOQUANT möchten wir nun dieses Prinzip der mathematischen Modellierung verbunden mit der berührungsfreien optischen Diagnostik auf die Lebenswissenschaften übertragen. Das ist eine deutlich schwierigere Aufgabe, als die Verbrennung in einem Motor zu analysieren und zu verstehen. Die Natur ist unseren technischen Produkten, wie etwa einem Automotor, haushoch überlegen. Wenn Sie in Ihr Auto eine Beule fahren, dann bleibt sie da. Eine Beule am Kopf tut zwar weh, aber durch ein kompliziertes Zusammenspiel von chemischen Reaktionen mit Transport- und Informationsprozessen schafft es der Körper, den ursprünglichen Zustand durch Selbstheilung wieder zu erreichen. Wenn wir dieses Wunder des Lebens verstehen wollen, dann müssen wir in einer lebenden Zelle die zahlreichen biologisch aktiven Moleküle identifizieren und herausfinden, wie sie miteinander zusammenarbeiten. Die dabei auftretenden chemischen Reaktionen kann man dann mit Hilfe mathematischer Gleichungen beschreiben und berechnen.

Die mathematische Beschreibung chemischer Reaktionen hat hier in Heidelberg ihren Anfang genommen. 1894, vor über 100 Jahren, hat der Heidelberger Chemiker Max Bodenstein seine berühmte Arbeit über die Reaktion von Wasserstoff mit Jod veröffentlicht und zur Beschreibung der Geschwindigkeit der chemischen Elementarreaktionen eine Differentialgleichung benutzt, die er in enger Zusammenarbeit mit Dr. Weber vom mathematischen Institut aufgestellt hat. Noch heute benutzen wir die Idee der Quasistationarität von Max Bodenstein, durch die man eine Differentialgleichung in eine algebraische Gleichung umwandeln kann. Aufbauend auf dieser Heidelberger Zusammenarbeit zwischen Chemie und Mathematik, konnten wir in den letzten Jahren die Kinetik von Verbrennungsprozessen, z.B. im Automotor, richtig beschreiben. Nun sollen Biologen und Mathematiker enger zusammenarbeiten. Das ist gar nicht so einfach. Dazu vielleicht eine kleine Geschichte.

Ein Mathematiker fährt an einem schönen Tag mit seinem Auto durch die Gegend und sieht einen Mann an der Straße stehen, auf einen Stock gestützt, hält an und sagt: ‚Darf ich raten, was Sie machen?' Der Mann nickt. Er sagt: ‚Sie sind doch sicher Schäfer?' ‚Ja', sagt der Mann. ‚Wissen Sie, wie viele Schafe Sie haben?' ‚Ja', sagt der Mann. ‚Wollen wir wetten, dass ich Ihnen genau die Anzahl Ihrer Schafe errechnen kann?' ‚Also, da bin ich aber mal gespannt', sagt der Schäfer. ‚Wetten wir um ein Schaf?' ‚Ja', sagt der Schäfer. Dann holt der Mathematiker sein Handy heraus, ruft einen Freund im Rechenzentrum an. Der besorgt sich ein Satellitenbild und über sein GPS kann er ihm angeben, wo er ist und teilt ihm mit, es sind 381 Schafe. Der Schäfer sagt: ‚Stimmt!' Der Mathematiker macht seinen Kofferraum auf, greift sich ein Schaf. Da sagt der Schäfer: ‚Moment. Ehe Sie abfahren, darf ich mal raten, wer Sie sind. Sie sind Mathematiker!' ‚Ja, woher wissen Sie das?' ‚Ja, Sie können wunderbar rechnen, aber von lebenden Tieren verstehen Sie nichts. Machen Sie Ihren Kofferraum wieder auf und geben Sie mir meinen Hund raus.'

Es ist daher sehr wichtig, dass in diesem Gebäude Mathematiker, Chemiker, Biochemiker, Physiker, Mediziner Tür an Tür sitzen und eine gemeinsame Sprache für die Beschreibung der Lebensvorgänge finden. Dazu muss man in eine lebende Zelle berührungsfrei und störungsfrei hineinschauen und die vielen Tausend molekularen Maschinen bei der Arbeit beobachten. Diese molekularen Maschinen, Proteine und Proteinkomplexe sind aufgebaut aus Aminosäuren. Diese Bausteine der molekularen Maschinen wurden hier in Heidelberg entdeckt, von dem Biochemiker Albrecht Kossel, der 1910 den Nobelpreis für Medizin für die Arbeiten über die Struktur der Proteine und Nukleinsäuren erhielt. Als er seinen Nobelpreis in Stockholm abholen wollte, hat er die Universitätsleitung gebeten, einige Tage Urlaub zu bekommen, aber der Kanzler lehnte es ab. Da würden zu viele Vorlesungen vor Weihnachten ausfallen. Daraufhin hat er sich an den König von Baden gewandt, der der oberste Dienstherr der Universität war. Der König von Baden hat Albrecht Kossel mitgeteilt, er könne fahren und seinem Vetter, dem König von Schweden in Stockholm, schöne Grüße bestellen.

Die aus Proteinen aufgebauten molekularen Maschinen arbeiten in der Zelle wie in einer riesigen Fabrikhalle zusammen. In dieser Fabrikhalle gibt es Transportbänder, Telefonnetze, Bibliotheken und auch ein Postleitzahlensystem, damit die einzelnen Moleküle immer an die richtige Stelle kommen. Derartige biologische Reaktionsketten wurden von dem Heidelberger Biochemiker Otto Meyerhof erstmals entdeckt. Er erhielt dafür 1922 den Nobelpreis für Medizin.

Wenn man nun die Arbeit dieser molekularen Maschinen wirklich im Detail verstehen will, dann kann man auf der einen Seite auf dem Computer die beteiligten Moleküle mathematisch simulieren und mit Hilfe dieser Computersimulation in einer Art Zeichentrickfilm ihre Form und ihre Bewegungen berechnen. Aber bei diesen Rechnungen muss man oft starke Vereinfachungen machen und deshalb ist es wichtig, nachzuprüfen, ob die Simulationen auch richtig sind. Dazu muss man den molekularen Maschinen bei der Arbeit zuschauen. Das Problem ist, dass die Moleküle sehr klein sind. Mit einem bisherigen Mikroskop kann man zwar eine Zelle gut erkennen und dass sie einen Zellkern und noch andere größere Bestandteile hat, aber die molekularen Maschinen kann man nicht sehen. Sie sind hundert- und tausendmal kleiner als das Auflösungsvermögen eines klassischen Mikroskops.

Hier im Keller des BIOQUANT-Gebäudes sollen nun neue Mikroskope entwickelt werden, die solche molekularen Maschinen erkennen können. Vor zehn Jahren haben Jan Wichmann, ein Diplomand aus meiner Arbeitsgruppe, und Stefan Hell sich hier in Heidelberg eine Erfindung patentieren lassen für ein Mikroskop, das 100 und 1000 mal besser vergrößern kann als die bisherigen Mikroskope. In dem neuen Mikroskop werden durch einen Laserlichtblitz Farbstoffmoleküle, mit denen man eine solche molekulare Maschine ‚anstreichen' kann, zum Leuchten angeregt. Bevor sie zu leuchten anfangen wird dann ein zweiter Laserblitz benutzt, um die meisten Moleküle wieder dunkel zu schalten. Der zweite Laserstrahl hat in der Mitte einen ganz kleinen dunklen Fleck, nur dort leuchten die Moleküle weiter. Dieses Verfahren, die so genannte STED-Mikroskopie, erlaubt es im Moment schon, Strukturen von 16 Milliardstel Meter aufzulösen, das ist zwanzigmal besser als mit einem herkömmlichen Mikroskop und es besteht Hoffnung, dass man das noch mal um einen Faktor zehn verbessern kann. Wenn man so viel besser hinschauen kann, dann kann man viele Vorgänge, die in einer lebenden Zelle stattfinden, erstmals beobachten und dafür mathematische Modelle bauen.

Lassen Sie mich dies zum Schluss an einem Beispiel erläutern. Jede Zelle besitzt ähnlich wie der Rohbau, den wir heute hier aus Stahlbeton vor uns sehen, ein tragendes Skelett, das Zytoskelett. Genau wie für den BIOQUANT-Bau ist es auch für die Zelle ganz wichtig, dass dieses Zytoskelett stabil ist. Bei Erkrankungen kann nun ein bestimmtes Fettmolekül sich an der Zellwand anheften, ein Signal in die Zelle senden, das dazu führt, dass in wenigen Minuten die ganze tragende Konstruktion des Zytoskeletts der Zelle zusammenbricht und sich zu einem weichen Schlauch umformt. Damit ist auch die Zelle plötzlich verformbar und kann sich durch kleine Öffnungen im Körper ausbreiten. Dieser Vorgang tritt bei dem Bauchspeicheldrüsentumor auf und auf diese Weise können sich die Tumorzellen im Körper verteilen und dann zu Tochtergeschwüren führen, die sehr schwer zu behandeln sind. In BIOQUANT wird nun die Baustatik des Zellgerüstes mit mathematischen Modellen analysiert. Auf diese Weise können die Vorgänge, die zu seinem Zusammenbruch führen, verstanden und Wege gefunden werden, diese Ausbreitung der Tumorzellen zu verhindern. Soviel vielleicht als kleiner Einblick in das, was wir hier in BIOQUANT beginnen und in der Zukunft für viele Fragen der Biologie und Medizin einsetzen möchten.

Zum Schluss noch ein kleiner Blick zurück. Wenn ich am Abend mit dem Fahrrad durch das Handschuhsheimer Feld fahre, vorbei an der Leugensäule, die 2,2 km vor Ladenburg steht aus der Zeit des Kaisers Severus Alexander, dann erinnert mich das daran, dass ja hier durch das Gelände im Neuenheimer Feld eine Römerstraße führte und so dieser Bau auf einem Gelände errichtet wird, das schon auf 2000 Jahre Kultur zurückblicken kann. Lassen Sie mich daher schließen mit einem Zitat des römischen Kaisers Mark Aurel: ‚Das Glück im Leben hängt von den guten Gedanken ab, die man hat'. Ich wünsche dem BIOQUANT gute Gedanken. Vielen Dank" (Prof. Wolfrum).



Rückfragen bitte an
Prof. Dr. Jürgen Wolfrum
Gründungsdirektor BIOQUANT
Physikalisch-Chemisches Institut
Im Neuenheimer Feld 253
69120 Heidelberg
Tel. 06221 548463, Fax 544255
wolfrum@urz.uni-heidelberg.de

Dr. Michael Schwarz
Pressesprecher der Universität Heidelberg
Tel. 06221 542310, Fax 542317
michael.schwarz@rektorat.uni-heidelberg.de
www.uni-heidelberg.de/presse




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