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"Die organische Chemie ist wie Schach"

Für Bartosz Grzybowski ist "die organische Chemie wie Schach" – mit einem Unterschied: "Die Spieler müssen ungefähr 20.000 Regeln im Kopf haben." Deshalb galt ein Chemiecomputer lange Zeit als unmögliches Unterfangen, während es Schachprogramme bereits seit den 1990er Jahren mit menschlichen Spielern aufnehmen können. Die Regeln der organischen Chemie haben sich schließlich nach dem Urknall vor rund 13,7 Milliarden Jahren im Laufe einer langen molekularen Evolution herausgebildet; um sie nachzuahmen, braucht es immenses Fachwissen ebenso wie Erfahrung, Intelligenz und Kreativität.

Grzybowski und sein Team haben jahrelang den Erfahrungsschatz der Chemiker so geordnet, dass Informatiker ihn in ein Computerprogramm einspeisen konnten. Unterstützt wurden sie dabei von Linguisten, die darauf spezialisiert sind, sprachliche Regeln und Merkmale zu erkennen. "Linguisten sind gut darin, in einer großen Masse von Informationen Muster zu erkennen – und genau solche Leute brauchten wir", erklärt Grzybowski. "Mit ihrer Hilfe konnten wir aus unserem chemischen Wissen feste Regeln ableiten und in Algorithmen übersetzen."

Das Ergebnis heißt Chematica – eine Software, die Grzybowski erstmals 2012 vorstellte und die wie eine Art Navigationssystem funktioniert: Man gibt eine gewünschte chemische Verbindung ein, und das Programm ermittelt die möglichen Routen zur Herstellung dieser Verbindung. "Damals ging es aber nur um bereits bekannte Moleküle", erklärt Grzybowski, "heute kann Chematica auch Synthesewege zu neuen Stoffen berechnen." Noch fehlt zu dieser Behauptung zwar die entsprechende Fachpublikation. Sie soll allerdings in den nächsten Monaten folgen.

Grzybowski selbst ist mittlerweile von den USA nach Südkorea gezogen und forscht nun am Nationalen Institut für Wissenschaft und Technologie Ulsan. Mit der Arbeit an Chematica ist er fertig – jetzt will er das Programm vermarkten. Mehrere Chemie- und Pharmaunternehmen hätten bereits Interesse an der Software geäußert, erzählt Grzybowski. Denn das Programm nehme "Chemikern eine Menge Grübelei ab" und führe den Großteil der Syntheseplanung für sie durch.

Davon ist Martin Burke wiederum nur mäßig beeindruckt. Denn Chematica zeigt gewissermaßen nur Rezepte an. Die Synthese selbst – also all die langwierige Kocherei, die ihn als Doktoranden beinahe den Verstand gekostet hätte – übernimmt die Software nicht. Aus Burkes Sicht ist Chematica daher zwar interessant, aber eben gerade nicht das, was er suchte. "Ich wollte ein Gerät, das die Fleißarbeit für mich macht", sagt der Amerikaner.

Er wählte daher auch einen völlig anderen Weg als Grzybowski. Statt die Chemie als Schachspiel zu begreifen, versuchte er sie in eine Art Puzzle zu verwandeln: Dieses besitzt zwar viele unterschiedliche Teile, aber sehr wenige grundlegende Regeln. Nach diesem Vorbild, so Burkes Idee, ließen sich vielleicht auch all die vielen organischen Verbindungen mit ein und derselben Synthesestrategie erzeugen, mit einer Abfolge von Reaktionen, die so simpel sind, dass auch eine Maschine sie ausführen könnte.

Diese Strategie funktioniert zum Beispiel gut bei Peptiden – jenen großen Teilchen, mit denen Burkes Freund Kohli als Doktorand experimentierte. Denn Peptide sind recht simpel strukturiert, wie lange Ketten. Wer sie maschinell zusammensetzen will, muss nur die Einzelbausteine wie Perlen aneinanderreihen – keine sonderlich anspruchsvolle Aufgabe. Auch für andere kettenförmige Teilchen wie Zuckermoleküle und sogar für Erbsubstanz wurden daher längst "Synthesizer" entwickelt.

Doch die meisten anderen Moleküle sind viel zu komplex, um sie einfach aufzufädeln. Die Moleküle etwa, mit denen Burke in seiner Doktorarbeit zu tun hatte, glichen eher jenen wirren Knäueln aus Zopfgummis, Haaren und Ohrringen, die man in oft durchwühlten Schmuckschatullen findet. Ihre Einzelteile sind über verschiedenste, teils abenteuerliche "Knoten" miteinander verknüpft. Und die Bauanleitung solcher Gebilde kennt in der Regel nur die Natur selbst.

Martin Burke jedoch ließ sich nicht abschrecken. Sein Enthusiasmus sprang auch auf die Universität Illinois über, bei der er sich nach seiner Promotion in Harvard auf eine Professur bewarb. Die chemische Fakultät war sogar derart begeistert von seiner Idee, dass sie ihm ein eigenes Labor und eine Arbeitsgruppe zur Verfügung stellte, die ihn bei der Umsetzung unterstützen sollte.

Die ersten Jahre verbrachte das Team damit, Naturstoffe systematisch auf Gemeinsamkeiten (auf "sich wiederholende Bausteine", wie Burke sagt) zu untersuchen. Davon fanden die Chemiker erstaunlich viele. "Die Natur scheint einen Großteil der organischen Verbindungen nach dem Lego-Prinzip zu erschaffen", sagt Chemieprofessor Burke. "Sogar Moleküle, die auf den ersten Blick ganz unterschiedlich erscheinen, lassen sich offenbar aus den gleichen Einzelteilen zusammenbauen."

Diese Fragmente sind zwar nicht alle einfach herzustellen, weil sie teils komplexe Strukturen wie Ringsysteme und Mehrfachbindungen enthalten. Aber im Vergleich zur Synthese ganzer Moleküle ist die Erzeugung der Bausteine doch relativ simpel. Und sind die Elemente eines solchen chemischen Lego-Systems erst einmal alle beieinander, können Chemiker sie zur Erzeugung vieler verschiedener Moleküle nutzen. Burke und sein Team rechneten aus, dass sich aus nur zwölf Bausteinen rund 2100 verschiedene Polyene zusammensetzen lassen sollten, eine für die Wirkstoffforschung wichtige Gruppe von Molekülen.

Mit den Bausteinen allein war es allerdings nicht getan. Um sie maschinell zusammenzusetzen, braucht es auch geeignetes Werkzeug. Denn das Grundgerüst der Bausteine bilden Kohlenstoffe. Und die sind eher reaktionsträge. Sie bleiben lieber bei ihren alten Bindungspartnern, als neue Kontakte zu knüpfen.

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