Wie wird aus dem Frühstücks-Brötchen die Energie, mit der ich die Maus bewegen kann? Die Antwort etwas genauer zu geben als "Ich esse das Brötchen!", war das Ziel meiner Doktorarbeit.

Das Brötchen wird erst verdaut. Dann wird die darin enthaltene Energie von den Zellen in einer chemischen Substanz namens ATP gespeichert. Mit diesem ATP wird alle Energie im Körper aufgebracht, auch die Kraft, um die Muskeln z. B. der Hand und damit die Maus zu bewegen.

Den ersten Satz versteht man sofort. Der zweite Satz war mir selbst nach meinem Studium ein Rätsel. Dabei war ATP als der universelle Energieträger in lebenden Zellen schon lange bekannt. Und auch die molekulare Maschine, die die Zellen zur Erzeugung dieses ATP benutzen, war bekannt.

Diese molekulare Maschine ist ein Enzym namens ATP-Synthase (so genannt, weil es ATP synthetisiert = herstellt und weil -ase die Endung für Enzyme in der Biologie ist). Aber wie diese ATP-Synthase funktionieren sollte, darüber gab es nur Hypothesen. Unerklärlich war besonders der Wirkungsgrad von fast 100%. Das bedeutet praktisch keinerlei Verlust während der Arbeit.

Mittlerweile hat sich in der Wissenschaft die Rotationstheorie weitgehend durchgesetzt. Sie geht davon aus, dass die ATP-Synthase wie eine Wasserturbine funktioniert. Der eine Teil der Turbine befindet sich in einer Staumauer (der Membran), die allerdings Wasserstoffionen statt Wasser aufstaut. Der Staudruck lässt Wasser(stoffionen) durch die Turbine strömen, die dabei einen Propeller antreiben. Der Propeller ist fest mit einer Drehachse verbunden. Diese Achse überträgt die Drehung auf den Teil der Turbine ausserhalb der Staumauer. Das ist bei einer Wasserturbine der Turbinenkopf, in dem der Strom erzeugt wird. Bei der ATP-Synthase ist es der Ort, wo ATP entsteht.

Die Techniker träumen allerdings davon, eine Turbine zu bauen, die die Wasserkraft zu 100 % in Strom umwandelt. Ein großes Problem sind dabei Situationen, in denen gar kein Strom gespeichert werden kann, z. B. weil keine Batterie angeschlossen ist oder die Batterie schon voll ist. Dann fließt das Wasser durch die Turbine, ohne dass Strom gespeichert werden kann.

Wie verhindert die Natur dieses Problem bei der ATP-Synthase? Hier scheint es ein gesteuertes Ventil zu geben, das den Wasser(stoffionen)-Kanal kontrolliert. Wird kein ATP gebildet, verschließt das Ventil den Turbinenkanal für Wasser(stoffionen), der Ausfluss stoppt und es kann keine Energie verloren gehen. Erst wenn wieder ATP gebildet werden kann, wird das Ventil erneut geöffnet.

Dieser Kontrollmechanismus ist das Hauptergebnis meiner Doktorarbeit.