Osamu Shimomura: Der Chemiker, der Quallen das Licht entlockte

Im Sommer 1961 sammelten ein japanischer Chemiker und sein amerikanischer Mentor in den Gewässern bei Friday Harbor, Washington, täglich zwei- bis dreitausend Quallen aus dem Puget Sound und arbeiteten weiter, bis sie etwa fünfzigtausend Tiere an ihrem Labortisch verarbeitet hatten. "Unser Labor sah aus wie eine Fabrik und war vom Geruch der Quallen erfüllt", erinnerte sich Shimomura. Er wiederholte eine Version dieses Rituals neunzehn Sommer lang und holte hunderttausende Exemplare ein. Was er schließlich aus dem Schlamm gewann, gab der Biologie ihre nützlichste Lampe.

Ein Blitz über Nagasaki

Er war der Sohn eines Offiziers der Kaiserlich Japanischen Armee, wurde am 27. August 1928 in Fukuchiyama, Kyoto, geboren und zog aufgrund der Stationierungen seines Vaters — Mandschukuo, dann Osaka — um, bevor die Familie sich in Isahaya in der Präfektur Nagasaki niederließ. Er war sechzehn Jahre alt im August 1945, als der Krieg vom Himmel kam. Fünfundzwanzig Kilometer vom Epizentrum entfernt hörte er den Bomber Bockscar vor der Detonation; der Blitz machte ihn für etwa dreißig Sekunden blind, und der radioaktive schwarze Regen fiel danach auf ihn. Seine Schulbildung war durch den Krieg bereits zerstört worden. Seine Großmutter, die ihn mit Samurai-Vorstellungen von Ehre und Tapferkeit erzog, vermittelte ihm das Temperament, das ihm im Klassenzimmer gefehlt hatte.

Das College, das ihn ohne Abschluss aufnahm

1948 nahm ihn das Nagasaki Pharmacy College ohne Highschool-Diplom auf, ein Akt institutioneller Gnade, der sein restliches Leben bestimmte. Er erwarb 1951 einen Pharmazie-Abschluss an der heutigen School of Pharmaceutical Sciences der Universität Nagasaki und blieb bis 1955 als Laborassistent, eine Arbeit ohne offensichtliche Aufstiegschancen. Was die Dinge änderte, war eine Vorstellung bei Yoshimasa Hirata an der Universität Nagoya, der ihn aufnahm und ihm ein Problem übergab, an dem Chemiker mit besseren Referenzen gescheitert waren: warum die zerkleinerten, getrockneten Überreste des Meeresleuchtwurms Vargula hilgendorfii blau leuchten, wenn man sie befeuchtet.

Zehn Monate, ein Kristall

Die Aufgabe sollte ihn beschäftigen. Sie beschäftigte ihn zehn Monate lang, an deren Ende er reines kristallines Luciferin hatte — das lichtemittierende Molekül selbst, isoliert 1957 aus einem notorisch instabilen Extrakt, der sofort oxidierte, sobald er angefasst wurde. Der Artikel "Crystalline Cypridina luciferin" im Bulletin of the Chemical Society of Japan war eine technische Meisterleistung, die weit über Japan hinaus kursierte. Nagoya verlieh ihm 1958 einen Master in organischer Chemie und 1960 einen Doktortitel für eine Dissertation über die Struktur des Luciferins des Meeresleuchtwurms. Er war ohne Highschool-Zertifikat an eine Universität gekommen und hatte sie mit einem Doktortitel und einem internationalen Ruf für das Handwerkliche Unmögliche verlassen.

Die Quallenfabrik

Frank Johnson in Princeton las den Luciferin-Artikel und rekrutierte ihn; Shimomura kam 1960 mit einem Fulbright-Stipendium an. Johnson setzte ihn auf Aequorea victoria an, die Kristallqualle, deren leuchtender Rand niemand erklären konnte. Die Tiere mussten in freier Wildbahn gefangen werden, daher zog die Arbeit jeden Sommer in die Friday Harbor Laboratories der Universität von Washington. Der Maßstab war industriell und die Chemie war miserabel — das lichtproduzierende Material zersetzte sich schnell und die Ausbeuten waren verschwindend gering.

1962 zahlte sich die Arbeit doppelt aus. Shimomura isolierte Aequorin, ein Protein, das blaues Licht emittiert, wenn sich Kalzium daran bindet, und daneben ein zweites, kleineres Protein, das grün fluoreszierte. Das grüne war jahrelang nur ein Nachgedanke — eine Kuriosität, die bemerkt wurde, während man das blaue jagte. Es war das grün fluoreszierende Protein.

Das Protein, das seine eigene Lampe trug

Die entscheidende Erkenntnis kam später, als Shimomura die Chemie und nicht nur die Existenz von GFP klärte und die Struktur der Proteine 1972 kartierte. Er zeigte, dass das lichtemittierende Chromophor des GFP in seiner eigenen Peptidkette eingebaut ist — das Protein stellt seine eigene Lampe her und benötigt kein externes Substrat, keinen Kofaktor, kein geborgtes Molekül. Diese eine strukturelle Tatsache machte alles Folgende möglich. Da der Lichtapparat in der Proteinsequenz kodiert war, konnte das Gen kloniert und in jeden Organismus eingebracht werden, wo es von selbst leuchten würde. Martin Chalfie demonstrierte GFP als lebendes Etikett; Roger Tsien entwickelte die Farbpalette, die es zu einem allgemeinen Instrument machte. 2008 teilten sich die drei den Nobelpreis für Chemie, dotiert mit etwa 1,4 Millionen Dollar, "für die Entdeckung und Entwicklung des grün fluoreszierenden Proteins, GFP".

Shimomura verschenkte auch sein mühsam gewonnenes Material. Bevor die Gentechnik GFP reproduzierbar machte, verteilte er seine mühsam geernteten Proteinvorräte umsonst an Labore auf der ganzen Welt.

Der abwesendste Professor in Boston

Er verbrachte den Großteil seiner Karriere als leitender Wissenschaftler am Marine Biological Laboratory in Woods Hole, mit einer Professur für Physiologie an der Boston University School of Medicine, die er als Formalität behandelte: Nach Angaben der Universität selbst betrat er zwischen 1982 und 2001 dreimal den Campus, und die Verwaltung bemerkte erst, dass er in den Ruhestand gegangen war, als die Nobel-Ankündigung die Frage aufwarf. Er arbeitete noch lange an der Biolumineszenz, nachdem das Feld zu den Werkzeugen übergegangen war, die er möglich gemacht hatte, und schrieb die Standardmonographie Bioluminescence: Chemical Principles and Methods sowie japanische Memoiren, Learning from Jellyfish: The Path to the Nobel Prize. Seine Frau Akemi, eine organische Chemikerin, die er in Nagasaki kennenlernte, war jahrzehntelang seine Forschungspartnerin. Ihr Sohn Tsutomu wurde ein Computersicherheitsspezialist, der dafür bekannt ist, den Hacker Kevin Mitnick gefasst zu haben; ihre Tochter Sachi ist Mediävistin an der Virginia Commonwealth University.

Warum Osamu als Genie bezeichnet wird

Die hier gezeigte Qualität ist kein konzeptionelles Feuerwerk. Es ist eine fast pathologische Fähigkeit zur Reinigung — die Fähigkeit, ein zerbrechliches, sich selbst zerstörendes Molekül aus einem Ozean biologischen Schlamms zu extrahieren und dies wiederholt, in großem Maßstab zu tun, wenn das Material aller anderen bereits oxidiert war. Die Kristallisation von Cypridina-Luciferin in zehn Monaten, nachdem andere jahrelang daran gescheitert waren, ist in erster Linie eine handwerkliche Leistung und erst in zweiter Linie eine intellektuelle, und Shimomura wäre der Erste gewesen, der das gesagt hätte. Seine eigene Erklärung für seine Karriere war stumpfe Ausdauer: "Ich habe gelernt, dass jedes schwierige Problem durch große Anstrengung gelöst werden kann."

Der intellektuelle Anspruch beruht auf einer Sache, und die ist groß. Zu erkennen, dass GFP sein eigenes Chromophor innerhalb seiner Peptidkette enthält — dass kein anderes Molekül benötigt wird — war der konzeptionelle Schritt, den niemand sonst in Bezug auf irgendein Protein gemacht hatte, und es ist der Grund, warum das Gen später kloniert und als universeller Reporter verwendet werden konnte. Alles, was die Biotech-Welt mit fluoreszierenden Etiketten macht, stammt von dieser Beobachtung.

Das ehrliche Gegenargument ist, dass Shimomura es selbst gemacht hat. Er betonte wiederholt, dass er "nicht versucht oder beabsichtigt hatte, einen biologischen Marker zu entdecken", und nutzte seinen eigenen Nobelpreis, um für den Wert der Grundlagenforschung ohne praktischen Zweck zu plädieren. Er hat das Werkzeug nicht gebaut; das taten Chalfie und Tsien. Kollegen beschrieben einen bescheidenen, sanftmütigen Mann, der dachte, dass Zufall und Ausdauer mehr erklärten als Brillanz. Nennen Sie es ein Genie der Hände und der unerbittlichen Aufmerksamkeit, nicht der Theorie.

Vermächtnis

GFP ist heute in Laboren so alltäglich, dass seine Entstehungsgeschichte verblasst ist: Jedes leuchtende Neuron, jede Tumorzelle und jeder Genexpressionsassay geht auf Eimer mit Quallen an einem Dock in Washington zurück. Shimomura erhielt spät Ehrungen — den Pearse Prize 2004, den Asahi Prize 2006, Japans Kulturorden 2008, den Golden Goose Award 2012, die Wahl in die U.S. National Academy of Sciences 2013. Er starb am 19. Oktober 2018 in Nagasaki im Alter von 90 Jahren an Krebs, in der Stadt, deren Zerstörung er als Junge beobachtet hatte.