Nobelprijzen medicijnen, fysica en chemie 1992

Het hadden er negen kunnen zijn, het werden er vier: een theoreticus, een instrumentenbouwer en twee experimentatoren. De winnaars van de drie "harde' Nobelprijzen 1992 zijn alle vier rond de zeventig, maar nog steeds volop werkzaam. Ze forceerden alle vier lang geleden een doorbraak, om daar de rest van hun loopbaan op voort te bouwen.

De Nobelprijs scheikunde werd gistermiddag toegekend aan de Amerikaanse theoretisch-chemicus Rudolph A. Marcus (69) van het California Institute of Technology in Pasadena. Hij kreeg de prijs ""voor zijn bijdragen aan de theorie van elektron-overdracht reacties in chemische systemen''. ""Het is geweldig om de prijs te krijgen,'' luidde gisteren zijn eerste reactie, ""maar het mooiste is toch gewoon dat je problemen oplost en ziet dat je werk door anderen wordt gebruikt.''

Elektron-overdracht, dat wil zeggen het overwippen van een of meer elektronen van het ene atoom of molecuul naar het andere, speelt in zeer veel chemische reacties een rol. In simpele reductie-oxydatieracties, maar ook in ingewikkelde fotochemische reacties waarbij elektronen over grote afstanden langs organische moleculen worden getransporteerd. Een biologisch voorbeeld is de fotosynthese, het proces waarmee planten lichtenergie omzetten in bruikbare chemische energie.

Bij elke reactie waarbij elektronenoverdracht plaatsvindt, geldt dat de eindprodukten stabieler zijn dan de met elkaar reagerende uitgangsstoffen. Het energieverschil is als het ware de kracht die de reactie drijft.

Men zou verwachten dat de snelheid van de reactie simpel afhangt van de grootte van deze drijvende kracht, maar dat is niet zo. Elektronen-overdrachtsreacties vertonen een opmerkelijke variatie in reactiesnelheden, die onmogelijk louter op het conto van de drijvende kracht kan worden geschreven. Over de oorzaak van die variatie braken chemici zich lang vergeefs het hoofd.

Marcus kwam in een serie theoretische artikelen, verschenen in de periode 1956-1965, met de verklaring. Hij wist wiskundig exact te beschrijven hoe de reactiesnelheid moest afhangen van vooral drie factoren: de aard van de reagentia, hun onderlinge afstand en het oplosmiddel waarin de reactie plaatsvindt. Marcus' theorie prikkelde tot een vloedgolf aan nieuw experimenteel werk, dat de juistheid ervan keer op keer bevestigde.

Toch gold een deel van de Marcus-theorie lange tijd als zeer controversieel. Veel chemici stonden skeptisch tegenover de voorspelling dat bij toenemende drijvende kracht voorbij een zeker punt de reactie niet langer sneller gaat, maar trager. Pas eind jaren tachtig werd het bestaan van dit "omgekeerde gebied' overtuigend experimenteel aangetoond. De reeds zo succesvolle en alom toegepaste Marcus-theorie werd daarmee uiteindelijk ook in zijn totaliteit bevestigd, hetgeen mogelijk de laatste hindernis wegnam voor de toekenning van de Nobelprijs.

De Nobelprijs natuurkunde ging gisteren naar de Fransman Georges Charpak (68), een instrumentenbouwer verbonden aan het CERN-deeltjesversnellerscentrum in Genève. Hij ontving de prijs ""voor het uitvinden en ontwikkelen van deeltjesdetectoren, in het bijzonder de proportionele draadkamer''. Charpak dacht bij het heuglijke telefoontje uit Stockholm eerst aan een grap, maar eenmaal overtuigd zei hij: ""Geweldig, dan kan ik vanmiddag een paar nieuwe schoenen kopen.''

Deeltjesdetectoren zijn de ogen en oren van elke deeltjesversneller. In deeltjesversnellers worden uiterst zeldzame subatomaire deeltjes gecreëerd door andere, makkelijk te maken deeltjes met hoge snelheid op een trefplaat of op elkaar te laten botsen. De kunst is, om uit het zeer grote aantal deeltjesinteracties na zulke botsingen juist die paar uit te pikken waar het om gaat. En dat kan alleen maar met een krachtige, gevoelige detector.

Tot in de jaren zestig werd voor de detectie van subatomaire deeltjes gebruik gemaakt van bellenvaten en vonkenkamers. In bellenvaten, die waren gevuld met superverhitte vloeistof, trokken geladen deeltjes sporen van kookbelletjes die men fotografeerde. Omdat er in het vat een magnetisch veld was aangelegd, kon men uit de richting en de kromming van de sporen de impuls van de deeltjes afleiden. Die leidde in combinatie met andere informatie tot identificering.

Vonkenkamers bestonden uit twee metalen platen met daartussen een mengsel van edelgassen. Passerende geladen deeltjes trokken door dat mengsel ionisatiesporen: ze sloegen elektronen uit de atomen van het gas. Door de platen onmiddellijk na doorgang van zulke deeltjes onder elektrische hoogspanning te zetten, kon men de ionisatiesporen "inkleuren' met vonken, die men vervolgens kon fotograferen.

Maar naarmate de hoge-energiefysici op steeds zeldzamere interacties gingen jagen, moesten ze steeds meer botsingen tegelijk veroorzaken. Alleen zo maakten ze kans op af en toe die ene zeldzame interactie. De bellenvaten en vonkenkamers konden het allemaal niet meer bijbenen. De bellenvaten waren te langzaam, de vonkenkamers bovendien ook te onnauwkeurig.

In 1968 doorbrak Charpak deze impasse met zijn revolutionaire uitvinding van zogeheten proportionele dradenkamer, een soort "elektronisch bellenvat'. Een dradenkamer is een ruimte gevuld met een gasmengsel, waarin een groot aantal dunne metalen draden is opgespannen - allemaal evenwijdig en op gelijke onderlinge afstanden. Passerende deeltjes trekken een ionisatiespoor. In de kamer heerst een elektrisch veld, zodanig dat de losgeslagen elektronen bewegen langs veldlijnen die eindigen op de draden. Op hun weg ioniseren ze op hun beurt nieuwe elektronen en zo ontstaat op korte afstand van een van de draden een honderdduizendvoudig sneeuwbaleffect, dat een meetbaar elektrisch pulsje geeft op de draad. Door te registereren welke draden een signaal geven kan men, met behulp van enkele trucs, het deeltjesspoor reconstrueren.

Dradenkamers zijn duizend maal sneller dan vonkenkamers, die op hun beurt weer veel vlugger zijn dan bellenvaten. Maar hun resolutie (de precisie waarmee ze de ionisatiesporen lokaliseren) is veel slechter dan die van bellenvaten. Dat nadeel wordt ondervangen door een tweede type detector dat Charpak in de late jaren zestig met zijn medewerkers ontwikkelde: de driftkamer.

Driftkamers werken ook met parallelle geladen draden in een gasmengsel, maar hier wordt door een van de "voeldraden' ook de reistijd gemeten van de weggeslagen elektronen. Die reistijd is een maat voor de afstand van het ionisatiespoor tot de voeldraad, en met dit extra gegeven kan het spoor, na verwerking door de computer, tot op ongever 100 micrometer nauwkeurig worden gelokaliseerd en in beeld gebracht.

Drift- en dradenkamers zijn sinds jaar en dag standaard bij zo ongeveer elk experiment in de deeltjesfysica. Dradenkamers vinden daarnaast ook toepassing in de astronomie en bij beeldvormingstechnieken in de geneeskunde.

De Nobelprijs Fysiologie of Geneeskunde ging maandag naar de Amerikaane biochemici Edmond H. Fischer (72) en Edwin G. Krebs (74), voor hun pionierend werk aan een naar later bleek zeer algemeen biochemisch reguleringsmechanisme.

Het gaat om het mechanisme van reversibele (omkeerbare) eiwitfosforylering, waarbij enzymen hetzij worden geactiveerd door er een fosfaatgroep aan vast te plakken, hetzij geïnactiveerd door die groep er juist af te halen. Het vastplakken (fosforyleren) gebeurt door een gespecialiseerde klasse enzymen, de eiwitkinases, het weer weghalen (defosforyleren) door een andere klasse, de fosfatases.

Naar tegenwoordig bekend is, worden tal van biochemische reacties door reversibele fosforylering gereguleerd. Wil zo'n reactie plaatsvinden, dan moet het enzym dat die reactie katalyseert (versnelt), eerst door een kinase zijn gefosforyleerd. Alleen dan is het enzym actief. Wordt de fosfaatgroep er echter weer afgegeten door een fosfatase, dan is het enzym weer inactief.

Soms worden kinases op hun beurt ook weer door kinases geactiveerd, zodat er sprake is van een kettingreactie van activeringen. De kinases en hun tegenhangers de fosfatases zorgen samen voor een subtiele regelmachinerie die een groot deel van de biochemische huishouding controleert. Fosforylering is ook het belangrijkste mechanisme waarlangs groeifactoren en hormonen hun signaal vanaf de buitenkant van de cel doorgeven naar de celkern. In sommige gevallen kan de ontregeling van een eiwitkinase leiden tot ongecontroleerde celdeling: kanker.

Toen Fischer en Krebs in de jaren vijftig bij één enzym toevallig op dit regelmechanisme stuitten, had niemand nog een flauw idee hoe belangrijk en algemeen het was. Ze krijgen de prijs dus in zekere zin omdat ze de ontdekkers waren van het topje van een enorme ijsberg. Tegenwoordig, zo verklaarde een lid van het Nobelcomité, handelt maar liefst zo'n 10% van alle biochemische publicaties over aspecten van reversibele fosforylering.

De doorbraak waarbij Fischer en Krebs het fenomeen reversibele fosforylering ontdekten, betrof de mobilisatie van de energie-opslagstof glycogeen in spiercellen. Het hormoon adrenaline (epinephrine) zet die cellen aan tot de omzetting van glycogeen in de direct benutbare brandstof glucose. Het was al bekend dat die afbraak werd gekatalyseerd door een bepaald enzym, maar Fischer en Krebs isoleerden en karakteriseerden daarvan een tot dan toe onbekende inactieve vorm. Toen ze die nader onderzochten, bleek het enige verschil het gemis van een fosfaatgroep. In vervolgonderzoek toonde het duo aan, dat de activiteit van het enzym werd gereguleerd door een (weer door adrenaline geactiveerde) kinase en een fosfatase. Later bleek dat zowel de aanmaak als de afbraak van glycogeen wordt gereguleerd door een ingewikkeld netwerk van reversibele fosforyleringen, dat inmiddels geheel is opgehelderd.

Fischer zei maandag "overweldigd' te zijn door de toekenning van zijn Nobelprijs. Krebs hoorde het nieuws pas uren later, toen een fotograaf zich bij zijn woning meldde. Het aanhoudende gerinkel van de telefoon had hij niet opgemerkt, want hij is een beetje doof.