Nobelpreis Tastsinn (Foto: imago)

Physiologie

Nobelpreis 2021 für Entschlüsselung menschlicher Sinne

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Der diesjährige Medizin-Nobelpreis geht an David Julius und Ardem Patapoutian. Sie lieferten wichtige Erkenntnisse zur Funktionsweise unseres Druck- und Temperatursinns.

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Die Entschlüsselung des Tastsinns

Der diesjährige Nobelpreis ist ein Preis für Physiologie, also für Grundlagenforschung zur Funktionsweise unseres Körpers. Das Thema betrifft jeden von uns in jeder Sekunde: Unsere Nerven nehmen ständig Temperatur und Druck wahr – etwa, wenn wir eine heiße Kaffeetasse greifen oder barfuß durchs Gras laufen. Wenn die Tasse zu heiß ist, zuckt die Hand zurück; wenn der Fuß auf einen Stein tritt, heben wir ihn höher.

Diese Rezeptoren in unserem Körper sind lebenswichtig, erklärt Professor Abdel El Manira vom Nobelkomitee:

Ohne die könnten wir uns nicht selbst schützen. Wenn wir unsere Hand in was Heißes halten oder in eine Flamme, schickt dieser Rezeptor eine Information an unser Gehirn, die uns sagt, lass das lieber. Die Berühungssensoren sind auch wichtig um uns zu zeigen, wie die Lage unseres Körpers oder unsere Gliedmaßen im Raum ist. Ohne die könnten wir nicht stehen, etwas berühren oder unsere Umgebung spüren.

Auch wenn wir z.B. eine zu heiße Tasse berühren, werden Schmerzsignale im Körper übermittelt.  (Foto: imago images/Shotshop)
Auch wenn wir z.B. eine zu heiße Tasse berühren, werden Schmerzsignale im Körper übermittelt. imago images/Shotshop

Suche nach der Übermittlung von Signalen im Körper

Bereits im 17. Jahrhundert stellte sich der Philosoph Descartes Fäden vor, die unterschiedliche Teile der Haut mit dem Gehirn verbinden. Ein Fuß, der beispielsweise eine offene Flamme berührt, könnte so ein mechanisches Signal an das Gehirn weiterleiten. Später konnten das Joseph Erlanger und Herbert Gasser beweisen: Sie erhielten 1944 den Medizin-Nobelpreis für ihre Entdeckung verschiedener Arten von sensorischen Nervenfasern, die auf unterschiedliche Reize reagieren. Doch wie genau unser Körper diese Informationen aufnimmt, war lange unklar.

Substanz aus Chilischoten hilft bei Erforschung des Schmerzempfindens

David Julius und Ardem Patapoutian haben herausgefunden, wie genau diese äußeren Reize von den Nerven in elektrische Impulse umgewandelt werden – und damit ein jahrhundertelanges Rätsel gelöst.

Der US-Amerikaner David Julius, Jahrgang 1955, experimentierte Ende der 1990er Jahre mit Capsaicin, einer scharfen Substanz aus Chilischoten, und entdeckte so erstmals TRPV1, einen Rezeptor für schmerzhafte Hitze. Seinem Forschungsteam gelang es, aus Millionen möglicher Kandidaten das richtige Gen zu identifizieren, indem sie jedes dieser Gene einzeln in Zellen kultivierten, die normalerweise nicht auf Capsaicin reagieren.

Capsaicin ist einer scharfe Substanz aus Chilischoten. Die Substanz half bei der Erforschung der Wahrnehmung von Hitze. (Foto: imago images/imagebroker)
Capsaicin ist einer scharfe Substanz aus Chilischoten. Die Substanz half bei der Erforschung der Wahrnehmung von Hitze. imago images/imagebroker

Der 1967 in Beirut geborene Forscher Ardem Patapoutian entdeckte im Jahr 2010 mithilfe druckempfindlicher Zellen eine neue Klasse von Sensoren, die auf mechanische Reize in der Haut und in inneren Organen reagieren. Der Name dieser sogenannten Piezo-Kanäle leitet sich vom griechischen Wort für Druck ab. Auch er identifizierte aus einer Reihe möglicher Kandidaten das richtige Gen – jedoch indem er die Gene in den bereits druckempfindlichen Zellen eines nach dem anderen einzeln ausschaltete.

Herauszufinden, welche Rezeptoren wie funktionieren, war eine ganz schöne Fleißarbeit, sagt Patrick Enfors vom Karolinska-Institut. Für die Drucksensoren testete Ardem Patapoutian alle in Frage kommenden Möglichkeiten einzeln:

Ein mögliches Gen nach dem anderen wurde untersucht. Und die Zellen wurden auf mechanische Empfindlichkeit getestet. Ein ganzes Jahr lang ging das so - 71 Mal ohne Erfolg. Aber beim 72. Mal war dann die Berührungsempfindungen weg. Der Sensor dafür war entdeckt.

Eine Grundlage für weitere Forschung

Mit ihrer Grundlagenforschung ebneten die beiden Nobelpreisträger außerdem den Weg dafür, in Zukunft bessere Medikamente zu entwickeln, zum Beispiel gegen chronische Schmerzen. Inzwischen wurden viele weitere Varianten der Rezeptoren gefunden, die an unterschiedlichen körperlichen Abläufen beteiligt sind. So zum Beispiel auch der Kälterezeptor TRPM8, den Julius und Patapoutian unabhängig voneinander anhand seiner Reaktion auf Menthol entdeckten. Heutzutage basieren Forschungsansätze zur Behandlung von Bluthochdruck oder Problemen mit der Atmung und beim Wasserlassen unter anderem auf dieser Grundlagenforschung.

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Professor Abdel El Manira geht indirekt auch auf die Fragen der Journalisten ein, die bei der Bekanntgabe der Preisträger mehrfach nachgehakt haben, warum die wissenschaftlichen Erfolge in der Corona-Pandemie bei der Preisvergabe nicht berücksichtigt wurden. Er sagt zur aktuellen Preisvergabe:

Das hat jetzt nicht direkt mit Covid zu tun, aber im letzten Jahr hatten wir soviel Abstand voneinander. Die Berührungen haben uns gefehlt und die Wärme, die wir durch sie bei einer Umarmung hätten spüren können. Und diese Rezeptoren zeigen uns auch die Wärme und die Nähe zu anderen.

Und Generalsekretär Thomas Perlmann macht deutlich, dass dem Nobel-Komitee die Corona Impfstofforschung durchaus bewusst ist:

Ich sage mal so: große medizinische Durchbrüche erreichen uns in der Regel – mehr kann ich dazu nicht sagen.

David Julius

David Julius ist ein US-amerikanischer Molekularbiologe. Geboren wurde er am 4. November 1955 in New York. 1977 schloss er seinen Bachelor in Life Sciences (Lebenswissenschaften) am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge ab. An der University of California in Berkeley erwarb er seinen wissenschaftlichen Doktortitel in Biochemie im Jahr 1984. Seit 1990 arbeitet er als Dozent an der University of California (UCSF), wo er die Abteilung für Physiologie leitet. Julius wirkt als Herausgeber bei der jährlich erscheinenden, renommierten Zeitschrift „Annual Review of Physiology“ mit.

Der Wissenschaftler erhielt für seine Arbeit bereits mehrere Auszeichnungen und Preise. Unter anderem im Jahr 2019 den mit 3 Millionen US-Dollar dotierten „Breakthrough Prize“ des amerikanischen Institutes für Physiologie. Zudem gewann er im selben Jahr zusammen mit Ardem Patapoutian den 49. Rosenstiel Award für seine Arbeit in der medizinischen Grundlagenforschung wegen grundlegender und weitreichender Studien zu den molekularen Mechanismen von Berührung, Temperatur und Schmerz. 2020 folgte der „Kavli-Preis für Neurowissenschaften“ und 2021 der „Frontiers of Knowledge Award in Biologie und Biomedizin“.

David Julius, Physiologe aus den USA, gewann gemeinsam mit Ardem Patapoutian den Nobelpreis für Medizin 2021. (Foto: dpa Bildfunk, picture alliance/dpa/University of California San Francisco)
David Julius, Physiologe aus den USA, gewann gemeinsam mit Ardem Patapoutian den Nobelpreis für Medizin 2021. picture alliance/dpa/University of California San Francisco

Ardem Patapoutian

Ardem Patapoutian ist ein libanesisch-amerikanischer Molekularbiologe und Neurowissenschaftler. Geboren wurde er 1967 in der libanesischen Stadt Beirut. Bevor er 1986 in die Vereinigten Staaten migrierte, besuchte er die amerikanische Universität in seiner Geburtsstadt. Im Jahr 1990 erwarb er an der University of California in Los Angeles einen Bachelorabschluss in Zell- und Entwicklungsbiologie.

Sein wissenschaftlicher Dokotorabschluss in Biologie folgte 1996 am kalifornischen Institut für Technologie. Seit dieser Auszeichnung arbeitet er bis heute am „Scripps Research Institute“, wo er im Jahr 2000 eine Professur erhielt. Zwischen den Jahren 2000 und 2014 forschte er zudem für die „Novartis research Foundation“ und ab 2014 zusätzlich für das „Howard Hughes Medical Institute“.

Ardem Patapoutian befasst sich hauptsächlich mit der Signalübertragung und Sensorik des menschlichen Körpers. Sein Schwerpunkt liegt dabei auf der Umwandlung von mechanischen Reizen wie, Berührung, sowie Temperatur oder Schmerz in biochemische Signale. Auf diesem Forschungsgebiet konnte er bereits mehrere aufschlussreiche Beiträge zur Erkennung neuartiger Ionenkanäle und Rezeptoren leisten.

2017 erhielt Patapoutian den „W. Alden Spencer Award“, 2019 den „Rosenstiel Award“, 2020 den „Kavli-Preis für Neurowissenschaften“, sowie den „BBVA Foundation Frontiers of Knowledge Award“ in Biologie und Biomedizin.

Ardem Patapoutian entdeckte mit seinem Forschungskollegen David Julius erstmals menschliche Temperatur- und Tastsensoren. Gemeinsam erhielten sie für ihre Entdeckung 2021 den Nobelpreis im Fach Medizin.

Der US-Amerikaner Ardem Patapoutian, einer der beiden diesjährigen Nobelpreis-Träger im Bereich MedizinPhysiologie. (Foto: dpa Bildfunk, picture alliance/dpa/The Kavli Foundation)
Der US-Amerikaner Ardem Patapoutian, einer der beiden diesjährigen Nobelpreis-Träger im Bereich Medizin/Physiologie. picture alliance/dpa/The Kavli Foundation

Preisgeld

Wie im vergangenen Jahr ist die renommierte Auszeichnung mit zehn Millionen Schwedischen Kronen (rund 980.000 Euro) pro Kategorie dotiert. 2020 waren die Amerikaner Harvey J. Alter und Charles M. Rice sowie der Brite Michael Houghton für die Entdeckung des Hepatitis-C-Virus mit dem Preis ausgezeichnet worden.

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