Entdeckungen des 21. Jahrhunderts- von 2015 bis 2020

Jedes Jahr zeichnet das renommierte Journal Science die Top-Entdeckungen und -Entwicklungen von Forscherinnen und Forschern aus. Eine davon wird als jeweilige „Super-Entdeckung“ zum „breakthrough of the year“. In einer Serie zeigen wir Ihnen die 21 Breakthrough-Gewinner seit 2000! In dieser Folge die aus den Jahren 2015 bis 2020.

„Nie zuvor haben so viele Konkurrenten so oft und offen zusammengearbeitet“, schreibt Science über 2020. Es hat sich gelohnt. Denn so wurde das Jahr des Virus auch zum Jahr der Impfstoffe. In nie zuvor dagewesener Geschwindigkeit haben Forscherinnen und Forscher aus Wissenschaft und Industrie einen Schutz vor dem ‚unsichtbaren‘ Gegner namens SARS-CoV2 aufgebaut. Herausragend dabei: Weitgehend basieren die Impfstoffe auf neuen Technologien. Zum Beispiel Vektorimpfstoffe oder die inzwischen berühmten mRNA-basierten Impfstoffe mit Messenger-RNAs (mRNA). „Was für eine wunderbare Art, das Jahr 2020 zu beenden“, bemerkte Science.

Albert Einstein hatte 1939 über sie vorhergesagt, dass sie durch ihre Anziehungskraft alles in ihrer Nähe verschlingen und niemals mehr freigeben – Materie und Licht gleichermaßen. Zwar konnten Forschende aus aller Welt zweifelsfrei belegen, dass es die schwarzen Löcher tatsächlich gibt. Aber nur mit indirekten Methoden. Denn wo kein Licht ist, lässt sich auch nichts fotografieren. Umso größer die Überraschung, als eine Schar von Fachleuten zum ersten Mal den Schnappschuss eines schwarzen Lochs präsentierten. Genauer gesagt: des Schwarzen Lochs im Zentrum der 53 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie Messier 87. Salopp wird dieses Foto als Smiley, Donut oder „Tor zur Hölle“ bezeichnet. Auf ihm ist nicht mehr zu erkennen als ein unscharfer leuchtender Ring, der ein schwarzes Zentrum umhüllt. Zwei Jahre lang haben 200 Experten dafür Daten ausgewertet, die sechs parallel geschaltete Teleskope auf vier Kontinenten aus der Unendlichkeit des Alls eingefangen haben. Sie nutzen dafür aus, dass sich Materie extrem stark aufheizt und dann hell erstrahlt, bevor sie im Sog des Lochs verschwindet. Dieses Leuchten ist auf der Aufnahme rötlich zu sehen.

Ein Durchbruch in der molekularen Erforschung von Zellen eines gesamten Organismus, vielleicht sogar eine Revolution? Könnte sein! Denn mit der Einzelzellanalyse lässt sich das komplexe Stoffwechselzellen gleich tausender Zellen gleichzeitig verfolgen und im Detail entschlüsseln. Unter dem Begriff der single cell analysis firmieren mehrere HighTech-Methoden: die rasche Entschlüsselung des Erbguts und die ebenso schnelle Analyse von RNA, die die Information der Gene in die Produktion von Proteinen und andere Moleküle übersetzt. Dazu die gezielte Markierung embryonaler Stammzellen und die gezielte Veränderung von DNA durch die Genschere CRISPR-Cas9. Die exorbitante Datenmenge beleuchten Bioinformatiker mit Künstlicher Intelligenz. So wollen die Forscher entschlüsseln, was im dynamischen Zellgeschehen passiert – und erkennen, wie gesunde Zellen „aussehen“ und wie sie sich verändern, wenn Krankheiten erwachsen.

Der Ort: Eine Galaxie im Universum, 130 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Das Ereignis:  die Verschmelzung zweier Neutronensterne – kleine stellare Körper, mit einem Durchmesser von höchstens zwölf Kilometern, bestehend vorwiegend aus elektrisch neutralen Teilchen. Die Beobachter: Detektoren in den ultraempfindlichen LIGO- und VIRGO-Observatorien in den USA und Italien, die im Sommer 2017 100 Sekunden lang winzige Kräuselungen (Wellen) der Raumzeit feststellten. Fast zeitgleich erschien ein Gammastrahlenblitz. Da wussten die Forscher, dass sie Zeugen von Noch-nie-Gesehenem wurden. 70 Teleskope weltweit richteten ihre  Linsen daraufhin auf die Ursprungshimmelsregion. Das internationale Konsortium von 3.600 Fachleuten hat das kosmische Ereignis en detail vermessen. Zum ersten Mal gelang es dabei, Gravitationswellen aus einer anderen Quelle als schwarzen Löchern nachzuweisen und die dabei erzeugte kosmische Strahlung „einzufangen“. „Die Fähigkeit, das komplette Bild solcher katastrophaler Ereignisse zu erhalten“, schrieb Science, „transformiert die Astrophysik.“

Die Welt der Astrophysik steckt voller fantastischer Phänomene, die wissenschaftliche Sensationen sind. Bestes Beispiel: der Nachweis von Gravitationswellen. Der Geniestreich gelang Forschenden des US-LIGO-Observatoriums, das die Wellen entdeckte, als zwei Schwarze Löcher in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung verschmolzen.  Albert Einstein hatte die Entstehung solcher Gravitationswellen vor mehr als 100 Jahren prognostiziert, und zwar, wenn massereiche Himmelskörper Raum und Zeit verzerren. Die Entdeckung bedeutet auch die Geburtsstunde der Gravitationswellen-Astronomie, mit deren Hilfe Forschende zum Beispiel die Frühzeit des Universums ergründen wollen.

Diese Wissenschaftsstory begann mit einem Bakterium aus Joghurt, das sich gegen Viren verteidigt: Mit einem Enzym, das heute als „Genschere“ CRISPR-Cas9 weltberühmt ist. Dass sich damit selektiv Gene jedweder Organismen vom Mauerblümchen bis zum Menschen punktgenau verändern lassen, stellte sich in einem Experiment nach dem anderen heraus. In einem höchst umstrittenen Experiment wurden sogar die Gene vom Embryonen verändert. Im Grundsatz könnte mit CRISPR-Cas9 ein jahrzehntelanger Traum von Biologen und Ärztinnen wahr werden, wie Science betont: Mutierte, krankmachende Gene so exakt mit gesunden Kopien zu ersetzen, dass Zellen und Patientinnen gesunden. Oder Virus-Erbgut selektiv aus dem Erbgut unserer Zellen zu entfernen. Oder das Genom von Pflanzen so zu erweitern, dass sie Trockenheit besser trotzen. Und so weiter.  

Fotos:

Coronaimpfung: NIAID NIH. 

Zelle: Torsten Wittmann, University of California, San Francisco. 

CRISPR/Cas9:  Ernesto del Aguila III, National Human Genome Research Institute, NIH.