„Der König der Biochemiker“ – Zum 140. Geburtstag des Wissenschaftlers Otto Warburg

Der jüdisch-deutsche Biochemiker und Physiologe Otto Warburg forschte auf vielen Gebieten der Medizin und ist besonders in der Krebsforschung heute noch vor allem durch die sogenannte Warburg-Hypothese bekannt. Seine Forschungen zu den Ursachen der Zell-Mutationen waren bahnbrechend für den Fortschritt bei der Bekämpfung der Menschheitsgeisel Krebs. Den Nobelpreis für Physiologie und Medizin erhielt der Ausnahmewissenschaftler 1931 für "die Entdeckung der Natur und der Funktion des Atmungsferments". (JR)

Von David Schimanowsky

Wenn wir über den unschätzbaren Beitrag des jüdischen Volkes zur Weltkultur sprechen, können wir mit Recht und Stolz auf seine herausragenden Vertreter verweisen - die Nobelpreisträger in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft. In dieser ehrenvollen Liste finden sich an zweiter Stelle nach den jüdischen Physikern 56 Nobelpreisträger in Physiologie und Medizin. Ein besonderer Platz unter ihnen gehört Otto Warburg, dem großen deutschen Biochemiker, Mediziner und Physiologen.

Otto Heinrich Warburg wurde am 8. Oktober 1883 in Freiburg im Breisgau als Sohn des Physikers Emil Warburg und seiner Frau Elisabeth Gärtner geboren. Sein Vater entstammte einer jüdischen Dynastie aus Altona (Hamburg, die relative Religions-, Bildungs- und Geschäftsfreiheit genoss. Aus der Familie Warburg gingen berühmte Wissenschaftler, Geschäftsleute, Lehrer, Künstler und Philanthropen hervor. Emil Warburg, der Sohn eines Bankiers, wurde in Physik ausgebildet. Aufgrund von Konflikten konvertierte er zum Christentum und auch sein Sohn Otto ließ sich früh taufen.

 

Der Apfel fällt nicht weit vom Baum

Emil Warburg wurde Doktor der Wissenschaften, Professor an der Universität Freiburg und, trotz antisemitischer Intrigen, Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften und Vorsitzender der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Er wurde auch zum Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und der Königlichen Gesellschaft für Wissenschaft und Literatur in Göteborg gewählt. Warburg Senior bestätigte experimentell eine Reihe theoretischer wissenschaftlicher Entdeckungen und schlug wiederholt bedeutende Physiker für den Nobelpreis vor, darunter Planck und Einstein, die häufig in seinem Haus zu Gast waren und später zu Freunden seines Sohnes wurden. Im Jahr 1929 wurde er selbst für den Nobelpreis nominiert. Heute unterstützt die Emil-Warburg-Stiftung physikalische Forschungsprojekte an der Universität Bayreuth.

Es ist nicht verwunderlich, dass Warburg Junior, der einzige Junge in einer Familie mit vier Kindern, in einem möglichst günstigen Umfeld aufwuchs. Als er 12 Jahre alt war, zog die Familie nach Berlin, wo sein Vater als Professor für Physik an die Universität berufen wurde. Otto besuchte das renommierte Berliner Humanistische Gymnasium, das nach Friedrich Werder benannt war. Im Jahr 1901 schrieb er sich an der Albert-Ludwigs-Universität in Berlin ein. Im Jahr 1901 trat er in die Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg ein, wo er Naturwissenschaften mit Schwerpunkt Chemie studierte. Ab 1903 setzte er, der Tradition der Zeit folgend, sein Studium an der Friedrich-Wilhelm-Universität in Berlin fort. 1903 setzte er, der Tradition der Zeit folgend, sein Studium an der Friedrich-Wilhelms-Universität (heute Humboldt-Universität) in Berlin fort und begann, im Labor eines anderen berühmten Freundes der Familie zu arbeiten, Emil Fischer, der inzwischen Nobelpreisträger für Chemie geworden war. In München studierte Otto auch Medizin, und in Heidelberg legte er sein erstes akademisches Examen in Chemie ab.

Im Jahr 1906 promovierte er an der Universität Berlin mit einer Arbeit über die optische Aktivität von Peptiden (aus Aminosäuren bestehende Eiweißverbindungen) unter der Leitung von E. Fischer. Anschließend wurde er Assistent in der medizinischen Klinik des Pathophysiologen Professor Ludolf von Krehl an der Universität Heidelberg. Ein Jahr später promovierte Otto Warburg dort zum zweiten Mal, dieses Mal in Physiologie. Seine große Idee war es, dem Geheimnis des Krebses auf die Spur zu kommen - der schrecklichsten Krankheit, der "Plage des zwanzigsten Jahrhunderts". Ab 1908 forschte er sechs Jahre lang an der größten biologischen Meeresstation Europas in Neapel. Dort führte er eine Studie über den Sauerstoffverbrauch in Meerschweincheneiern nach der Befruchtung durch und wies nach, dass die Atmungsrate nach der Befruchtung um das Sechsfache ansteigt. Er isolierte subzelluläre Partikel in Meerschweinchenleberzellen und bezeichnete sie als Granula, womit er sie zum ersten Mal mit der Zellatmung in Verbindung brachte und somit das Vorhandensein von Mitochondrien als Energiebasis der Zelle bestätigte.

 

Triumphaler Erfolg

1914 wurde Otto Heinrich Warburg als Mitglied in die Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften aufgenommen. Bei Ausbruch des Ersten Weltkriegs meldete er sich freiwillig an die Front, diente als Offizier in einem Lanzenreiterregiment, wurde an der Ostfront verwundet und erhielt das Eiserne Kreuz. An der Front fand er Freunde und dankte dem Schicksal für die Gelegenheit, ein anderes Leben zu sehen.

1918 kehrte er an das Institut der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zurück, um das Wesen des Krebses auf der Ebene der Zellatmung zu erforschen. Zwischen 1921 und 1923 ist er außerdem außerordentlicher Professor für Physiologie an der Medizinischen Fakultät der Friedrich-Wilhelms-Universität in Berlin. Ab 1924 reiste er regelmäßig zu Lehr- und Forschungszwecken in die USA. Und 1931 wurde er zum Direktor des ein Jahr zuvor gegründeten Instituts für Zellphysiologie in Berlin-Dahlem ernannt. In seinen Forschungen vermutete Warburg, dass die oxidativen Enzyme für die Reaktionen, bei denen die Endprodukte der Glukosespaltung zu Kohlendioxid und Wasser weiter oxidiert werden, mit "Körnchen" - Mitochondrien - assoziiert sind. Er machte sich auf die Suche nach biochemischen Auslösern, die normale Zellen in Krebszellen mit unkontrolliertem Wachstum verwandeln. Er experimentierte mit Gewebeschnitten und begann zu messen, wie viel Sauerstoff normales und Tumorgewebe verbrauchten. Es stellte sich heraus, dass beide die gleiche Menge an Sauerstoff verbrauchten, die Krebszellen in Gegenwart von Sauerstoff jedoch viel mehr Milchsäure produzierten, zu der Glukose beim aeroben Stoffwechsel abgebaut wird.

Warburg entwickelte ein neues Instrument zur quantitativen Messung des Gasumsatzes bei Stoffwechselvorgängen. Er kam zu dem Schluss, dass Krebszellen den anaeroben Weg des Glukosestoffwechsels nutzen, und postulierte die Hauptursache für Krebs: Sauerstoffmangel in den Zellen. Als sekundäre Krebsursache betrachtete er Pestizide und Zyanide, die die normale Sauerstoffatmung der Zelle verringern. 1930 stellte er die Hypothese auf, dass eine Beeinträchtigung oder Unterbrechung der Mitochondrienfunktion in Krebszellen die Hauptursache für das Krebswachstum sei. Otto Warburg kam zu dem Schluss, dass Tumorzellen eher den anaeroben Weg des Glukosestoffwechsels nutzen und sich normale Zellen aufgrund von Sauerstoffmangel tatsächlich in bösartige Zellen verwandeln. Seine Arbeit erweiterte das Verständnis der Mechanismen in der lebenden Zelle.

Die Biochemiker, die Warburgs Leistungen bewunderten, schlugen ihn 1926 für den Nobelpreis vor, doch die schwedischen Akademiker vergaben ihn dann an einen dänischen Mikrobiologen, dessen Theorie sich später als falsch herausstellte. Dennoch erhielt Otto Warburg 1931 den Nobelpreis für Physiologie und Medizin für "die Entdeckung der Natur und der Funktion des Atmungsferments".

 

Der „nützliche Jude" des Führers

Mit der Machtübernahme der Nazis begann in Deutschland eine totale Eskalation der Judenverfolgung. Personen mit drei oder mehr Vorfahren der zweiten Generation, die in eine jüdische Religionsgemeinschaft hineingeboren wurden, galten nach den Nürnberger Gesetzen von 1935 als "Volljuden". Deutsche Staatsbürger, die nicht in diese Kategorien fielen, aber zwei jüdische Großeltern hatten, wurden als „Mischlinge ersten Grades" eingestuft, und diejenigen, die einen jüdischen Vorfahren hatten, als „Mischlinge zweiten Grades". Gleichzeitig wurde beschlossen, dass alle Personen mit teilweise jüdischer Abstammung (unabhängig vom Grad der Abstammung) im Laufe der Zeit sterilisiert werden sollten. Und ab August 1941 setzte Adolf Eichmann "Halbjuden" mit "Volljuden" gleich. Die große Mehrheit von ihnen wurde in Ghettos und Konzentrationslager deportiert.

Obwohl Otto Warburgs Mutter eine Deutsche war, seine Eltern und er selbst als Protestanten galten und er außerdem Kriegsveteran war, stuften die NS-Behörden Otto als "minderwertige Rasse" ein, weil sein Vater und alle seine Vorfahren von Geburt an Juden waren. Die Verdienste, wissenschaftlichen Abschlüsse und ehrenvollen Titel des berühmten Biochemikers wurden von den Nazis nicht berücksichtigt. Die Initiatoren der judenfeindlichen Kampagne unter den Wissenschaftlern waren die Nobelpreisträger Philipp Lenard und Johannes Stark, die die "arische Physik" anführten, welche die von jüdischen Wissenschaftlern entwickelten abstrakten Theorien in der Wissenschaft ablehnte. Auch die meisten deutschen Wissenschaftler unterstützten die antisemitische Politik des Dritten Reiches.

Es überrascht nicht, dass die jüdischen Nobelpreisträger Richard Wilstätter, Fritz Haber, Ludwig Quidde, Otto Levi, Thomas Mann, Otto Meyerhof, James Frank und Albert Einstein Deutschland bald verließen. Haber weigerte sich, Juden aus seinem Institut zu entlassen, trat aus Protest zurück und floh nach England. Zur gleichen Zeit versuchte der Deutsche Max Planck als Präsident der Gesellschaft für Grundlagenforschung vergeblich, Hitler dazu zu bewegen, die Verfolgung jüdischer Wissenschaftler einzustellen, und blieb nach außen hin loyal zum Regime. Max von Laue, ebenfalls Nobelpreisträger, prangerte an, dass die Nazis Einstein als Direktor des Physikalischen Instituts abgesetzt hatten.

Aufgrund des Berufsverbotsgesetzes wurde Otto Warburg das Recht entzogen, an der Universität zu lehren. Im Jahr 1939 verstärkte sich der Druck der Nazis auf ihn weiter, und er versuchte, in die Kategorie des "Mischlings ersten Grades" zu gelangen. Und als Warburg sich 1941 kritisch über die Behörden äußerte, wurde er sofort von seinem Posten als Direktor des Instituts für Zellphysiologie entfernt und arbeitete dort als einfacher Angestellter weiter. Im folgenden Jahr wurde er jedoch unerwartet wieder eingestellt, angeblich mit der geheimen Hilfe des Chemikers Walter Julius Viktor Schoeller. Wahrscheinlich rettete ihn Hitlers panische Angst vor dem Krebs: Der Führer hatte Angst vor Krebs und hoffte auf eine Möglichkeit, ihn zu heilen. Warburg erhielt daher direkt von der Reichskanzlei seine persönliche Erlaubnis, seine wissenschaftlichen Forschungen fortzusetzen.

In den schwierigsten Jahren machte er immer mehr Entdeckungen auf dem Gebiet der Biochemie und Ätiologie des Krebses. Er beschrieb ein Atmungsenzym und kristallisierte erstmals die organische Verbindung Flavin; er entdeckte ein wasserstoffbindendes Enzym, das Nikotinamid enthält und vieles mehr.

Das Institut für Zellphysiologie wurde in die Liste der "anerkannten Rüstungsbetriebe" des Reichs aufgenommen und zwischen 1943 und 1945 wegen der zunehmenden alliierten Bombenangriffe auf die Hauptstadt nördlich von Berlin ins Seehaus des Schlosses Liebenberg (Brandenburg) verlegt. Auch eine anonyme Anzeige gegen Warburg im Jahr 1943 nach § 175 Strafgesetzbuch (Vorwurf der Homosexualität) blieb für ihn dank seines hohen Mäzenatentums ohne ernsthafte Folgen.

 

Die Warburg-Hypothese

Nach dem Krieg beschlagnahmten die sowjetischen Besatzungsbehörden das Labor und die Bibliothek Warburgs. Erst vier Jahre später konnte er seine Forschungen in West-Berlin fortsetzen und Artikel veröffentlichen. Sein Institut wurde Teil der Deutschen Forschungsgemeinschaft und ab 1953 in die Max-Planck-Gesellschaft eingegliedert. Warburg arbeitete dort als Professor und wurde wieder Mitglied der Deutschen Akademie der Wissenschaften. Und 1956 wurde er zum Mitglied der "Leopoldina", der ältesten deutschen Gesellschaft der Naturforscher, gewählt. Beharrlich erforschte er weiter die Phänomene der Photosynthese und des Krebses. Unter anderem leistete er bedeutende wissenschaftliche Beiträge auf den Gebieten der mitochondrialen Atmungskette, der pflanzlichen Photosynthese und des Tumorstoffwechsels und entwickelte einen umfassenden enzymatischen Biotest. Er entdeckte, dass viele bösartige Tumore einen erhöhten Zuckerstoffwechsel aufweisen, was die Grundlage für die Entwicklung eines umfassenden enzymatischen Tests des Tumorstoffwechsels mittels diagnostischer Bildgebung (Verfahren zur visuellen Darstellung der inneren Strukturen von Körpern) bildete.

Bereits in den 1920er Jahren stellte Otto Warburg eine biochemische Hypothese über die Ursachen von Krebs auf. Er fand heraus, dass Tumorzellen Glukose nur durch den Prozess der Milchsäuregärung abbauen, selbst wenn sie genügend Sauerstoff für die Atmungskette haben. Die Folge ist ein hoher Glukoseverbrauch. Nach Warburg entstehen Krebszellen also durch eine verminderte mitochondriale Atmung. Er entwickelte einen umfassenden enzymatischen Test des Tumorstoffwechsels mittels diagnostischer Bildgebung und Positronenemissionstomographie.

Ein halbes Jahrhundert später wurde seine Entdeckung mit dem Begriff "Warburg-Effekt" bezeichnet und von Biochemikern nicht angezweifelt. Der Wissenschaftler kam jedoch zu dem Schluss, dass die Ursache von Krebs in gestörten Mitochondrien und Anomalien der Zellatmung zu suchen sei und dass die beobachteten Veränderungen die einzige Ursache für Krebstumore seien. In den 1950er Jahren verfeinerte und erweiterte er seine Hypothese, indem er "entfernte" und "primäre" Ursachen für Krebs einbezog. Zu den entfernten Ursachen gehören praktisch alle Karzinogene, während die letztgenannte Ursache die Umstellung des Energiestoffwechsels von Oxidation auf Fermentation ist. Warburg formulierte seine Hypothese in einem Artikel mit dem Titel "The Primary Cause of Cancer and its Prevention". Darin legte er weitere Beweise vor, um seine Hypothese zu untermauern, dass die verstärkte anaerobe Atmung von Krebszellen eine Folge einer geschädigten oder unzureichenden Atmung ist. Ihm zufolge "hat Krebs im Gegensatz zu anderen Krankheiten unzählige sekundäre Ursachen. Aber es gibt nur eine primäre Ursache für Krebs, und das ist der Ersatz der sauerstoffbetriebenen Atmung im Körper einer normalen Zelle durch eine andere Art der Energiegewinnung - die Glukosegärung."

Warburgs Hypothese galt bis vor kurzem als umstritten und aufgrund der Fortschritte in der molekularbiologischen Forschung sogar als überholt. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts befassten sich fast 18 Tausend Veröffentlichungen in unterschiedlichem Maße mit dem Warburg-Effekt. Sie bewiesen, dass Krebszellen über jede Art von Energieversorgung verfügen können, einschließlich derjenigen, die normalen Zellen eigen ist, und dass der Warburg-Effekt weniger die eigentliche Ursache als vielmehr eine der charakteristischen Auswirkungen krebserzeugender Mutationen ist. Außerdem berücksichtigt diese Hypothese nicht die Daten über genetische Veränderungen in den Zellen. Aber die Bedeutung der Milchsäuregärung für entartete Krebszellen und die möglichen Therapien, die darauf angewendet werden können, bleiben ein wichtiges Thema der onkologischen Forschung.

Zur gleichen Zeit wies Ernst van Aken, ein Schüler Warburgs, statistisch nach, dass Sportler, die ein aerobes Ausdauertraining absolvieren, deutlich seltener an Krebs erkranken als Normalsterbliche und sah dies als Beweis für die Hypothese seines Lehrers an. Eine Gruppe von Wissenschaftlern aus Jena und Potsdam wies 2006 an Labormäusen nach, dass die Geschwindigkeit des Tumorwachstums von Stoffwechselprozessen abhängt und diese erfolgreich beeinflusst werden können. Im Jahr 2008 entdeckten Biologen des Boston College, dass sich die Struktur der Mitochondrien bei tumorbefallenen Mäusen von der gesunder Tiere unterscheidet. Diese Erkenntnisse können auch als Indikator für die Gültigkeit der "Warburg-Hypothese" gesehen werden.

 

Ein erfülltes und bescheidenes Leben

Mehr als 50 Jahre lang lebte der Wissenschaftler in seiner Villa in Berlin mit seinem Freund Jakob Heiss, seinem persönlichen Sekretär und Leiter des Instituts. Er liebte klassische Musik und Belletristik. Das Reiten übte er fast bis zum Ende seiner Tage aus und hörte erst im Alter von 85 Jahren auf, als er eine Treppe hinunterstürzte und sich den Oberschenkelhals brach. Kollegen und Angehörige beschrieben ihn als einen sehr bescheidenen Mann. Ein beliebter Scherz, mit dem er Reporter begrüßte, die ihn nicht vom Sehen kannten, war: "Einen Professor kann man nicht interviewen, der ist tot".

Otto Warburg starb am 1. August 1970 in Berlin.

Anlässlich des 100. Geburtstages von Otto Warburg würdigten Naturwissenschaftler das Leben und Werk des großen Zellphysiologen, Biochemikers, Photobiologen und Mediziners. Aus seiner Schule der Wissenschaft sind viele Nobelpreisträger hervorgegangen. Dean Burke vom US National Cancer Institute nannte ihn "den Meister der Zellchemie", der Biologe Kurt Motes den "Pionier der modernen Physiologie und Biochemie", der Neurowissenschaftler Ernst Yokl den "König der Biochemiker". Der Physiker Manfred von Ardenne sah in Warburg "eine einzigartige Erscheinung unter den großen Naturwissenschaftlern dieses Jahrhunderts, vergleichbar mit Galilei, Leibniz oder Faraday". Seine Werke wurden als "Manifeste der Stoffwechselforschung", "Sternstunden der biologischen Wissenschaften" und "wissenschaftliche Kunstwerke" bezeichnet. Zum Geburtstag von Otto Warburg gab die Deutsche Post eine Sonderbriefmarke heraus. Sein Grab ist in die Liste der Ehrengräber in Berlin aufgenommen worden. Und an der Wand des Hauses, in dem er lebte, erinnert eine Gedenktafel an den herausragenden Beitrag des Wissenschaftlers zur Entwicklung der Naturwissenschaften und der Medizin.