Laboratory of Molecular Biology

Gegenstand und Anfänge

Das Laboratory of Molecular Biology (LMB) ist eine Forschungseinrichtung in Cambridge, England. Seine Wissenschaftler waren entscheidend an der Revolution der Molekularbiologie in den 1950er- und 1960er-Jahren beteiligt. Seit etwa 1960 ist das LMB ein medizinisches Forschungsinstitut mit vielfältigen Schwerpunkten. Im Mittelpunkt stand zunächst die Frage, wie die Struktur biologischer Moleküle ihre Funktion bestimmt.

Die Entwicklung begann mit Max Perutz, der ab 1936 am Cavendish-Laboratorium über Hämoglobin forschte. John Cowdery Kendrew untersuchte ab 1946 das verwandte Protein Myoglobin. 1947 gründete das Medical Research Council (MRC) unter Harold Percival Himsworth die „MRC Unit for the Study of the Molecular Structure of Biological Systems“. Hugh Huxley erforschte Muskelproteine, Francis Crick ab 1949 die Röntgenkristallographie von Proteinen und James Watson stieß 1951 zur Gruppe.

1953 entdeckten Watson und Crick die Doppelhelixstruktur der DNA. Damit wurde deutlich, dass biologische Information als linearer Code gespeichert und bei der Zellteilung verdoppelt wird. Perutz zeigte, dass sich die dreidimensionale Struktur großer Proteine aus Röntgendaten ableiten lässt, wenn Molekülgruppen mit schweren Atomen markiert werden. Huxley entwickelte die Filamentgleittheorie. 1957 wurde die Gruppe in „MRC Unit for Molecular Biology“ umbenannt. Vernon Ingram wies nach, dass Sichelzellanämie durch den Austausch einer Aminosäure im Hämoglobin verursacht wird. Crick formulierte 1958 das zentrale Dogma der Molekularbiologie, die Sequenzhypothese und die Adaptortheorie. 1961 wurden die messenger RNA und die Annahme entdeckt, dass der genetische Code in Triplets gelesen wird. Die Arbeiten fanden zunächst in einem einfachen Gebäude, „The Hut“, statt.

Eröffnung und Aufbau des Labors

1962 eröffnete Queen Elizabeth II das neue LMB-Gebäude außerhalb von Cambridge. Die Strukturbiologie-Arbeitsgruppe des Cavendish-Laboratoriums zog dorthin um. Hinzu kamen Fred Sangers Arbeitsgruppe aus der Biochemie und Aaron Klug aus London. Sanger hatte 1958 für die Sequenzierung von Proteinen, insbesondere Insulin, den Nobelpreis für Chemie erhalten.

Max Perutz leitete das Labor mit drei Abteilungen: Strukturbiologie unter John Kendrew, Molekulare Genetik unter Francis Crick und Proteinchemie unter Frederick Sanger. Anfangs arbeiteten dort etwa 40 Wissenschaftler; die Zahl wuchs rasch, weil viele Postdoktoranden aus den USA nach Cambridge kamen. Kurz nach der Eröffnung erhielten Kendrew und Perutz den Nobelpreis für Chemie sowie Crick und Watson den Nobelpreis für Medizin.

Fortschritte der Molekularbiologie

In den folgenden Jahren wurden die dreidimensionalen Strukturen wichtiger Proteine wie Myoglobin und Hämoglobin aufgeklärt. David Blow untersuchte Chymotrypsin. Francis Crick klärte anhand zahlreicher Forschungsergebnisse das Prinzip des genetischen Codes. Start- und Stoppsignale der messenger RNA wurden entdeckt. 1966 formulierte Crick die Wobble-Hypothese. Sie erklärt, warum der genetische Code degeneriert ist: Die Zahl der für das Ablesen zuständigen tRNA-Moleküle ist kleiner als die Zahl der rechnerisch möglichen Codons.

Fred Sanger entwickelte Methoden zur Sequenzierung von RNA und DNA und erhielt dafür 1980 seinen zweiten Chemie-Nobelpreis. John Sulston war später wesentlich an der Sequenzierung ganzer Genome beteiligt. Untersuchungen zur Reifung von tRNA-Vorläufern führten zur Entdeckung der Ribozyme. Aaron Klug klärte die Struktur von tRNAs und entdeckte die Zinkfinger. John E. Walker und Andrew Leslie erforschten die ATP-Synthase; Walker erhielt dafür 1997 den Chemie-Nobelpreis. Venkatraman Ramakrishnan erhielt 2009 den Chemie-Nobelpreis für die Aufklärung der Ribosom-Struktur.

Ausweitung der Forschungsfelder

Ab Ende der 1960er-Jahre wandte sich das LMB verstärkt Problemen der Entwicklungs-, Zell- und Neurobiologie sowie der Immunologie zu. Sydney Brenner begann 1965 mit dem Fadenwurm C. elegans. John Sulston beschrieb den Entwicklungsweg jeder einzelnen Zelle, John White das vollständige Nervensystem. Robert Horvitz untersuchte diese Arbeiten mit und erhielt 2002 zusammen mit Brenner und Sulston den Medizin-Nobelpreis. Jonathan Hodgkin erforschte die genetischen Mechanismen der Geschlechtsentwicklung.

In der Immunologie entwickelten César Milstein und Georges J. F. Köhler eine Methode zur Herstellung monoklonaler Antikörper, wofür sie 1984 den Medizin-Nobelpreis erhielten. Greg Winter wurde zu einem Pionier des Antikörper-Engineering. In der Zellbiologie untersuchten Forscher unter anderem Membranproteine, den Proteintransport innerhalb der Zelle, Clathrin bei der Endozytose und die spindle pole bodies der Hefe, die als Aufhängepunkte für Chromosomen bei der Zellteilung dienen. Roger Kornberg erforschte die DNA-Kondensierung im Nukleosom und die Faltung der DNA in der Zelle. Eine Neurobiologie-Abteilung entstand 1993. Richard Unwin klärte Strukturen von Acetylcholinrezeptoren auf, Michel Goedert identifizierte mit Alzheimer verbundene Proteine.

Geräte, Auszeichnungen und Verwaltung

Das LMB war häufig führend bei technischen Neuerungen, insbesondere bei Protein- und DNA-Sequenzierung, der Herstellung monoklonaler Antikörper, der Röntgenstrukturanalyse und der konfokalen Mikroskopie. Zu den ständigen oder zeitweisen Mitarbeitern mit Nobelpreisen gehörten neben den genannten Forschern unter anderem Sidney Altman, Roger Kornberg, Andrew Fire, Thomas A. Steitz, Martin Chalfie und John Gurdon.

Der frühe Erfolg wurde durch eine einfache Verwaltungsstruktur unterstützt. Das MRC gewährte den Wissenschaftlern weitgehend freie Hand. Es gab nur ein gemeinsames Budget, einen zentralen Vorrat an Verbrauchsmaterialien und keine formale Hierarchie. Dadurch wurden Kosten gesenkt und die Zusammenarbeit erleichtert. Heute arbeiten am LMB 400 Wissenschaftler, darunter 130 Postdoktoranden und 90 Studenten.