Das Ende eines 67-jährigen Rätsels: Biochemiker beweisen „verrückte“ Theorie zur Funktionsweise von Vitamin B1

Vitamin B1, oder Thiamin, ist die „graue Eminenz“ unseres Stoffwechsels. Ohne es können Zellen Nahrung nicht in Energie umwandeln, und das Nervensystem schaltet schlichtweg ab. Doch über Jahrzehnte hinweg stritten Wissenschaftler darüber: Wie genau verrichtet dieses winzige Molekül eigentlich seine Arbeit innerhalb einer lebenden Zelle?

Im Jahr 1958 stellte der Chemiker Ronald Breslow eine „verrückte“ Idee vor. Er vermutete, dass sich Vitamin B1 für Sekundenbruchteile in ein Carben verwandelt – eine extrem aggressive Form von Kohlenstoff mit „leeren“ Bindungsstellen. Das Problem war, dass Carbene und Wasser Erzfeinde sind. In einer wässrigen Umgebung hätte das Carben sofort vernichtet werden müssen, noch bevor es reagieren konnte. Breslows Theorie klang auf dem Papier logisch, schien in der biologischen Praxis jedoch unmöglich zu sein.

Ein Team der UC Riverside hat diesen Streit nun beendet. Es gelang ihnen, ein Thiamin-Analogon zu synthetisieren und es mit einem schützenden Gerüst aus chlorierten Carboranen zu umgeben. Dieser „Panzer“ schuf eine trockene Zone um das Reaktionszentrum, wodurch das Carben in Wasser über mehrere Monate hinweg stabil blieb. Das Experiment bestätigte eindrucksvoll: Die Natur hat einen Weg gefunden, hochpotente chemische Werkzeuge dort einzusetzen, wo sie nach den Gesetzen der klassischen Chemie eigentlich gar nicht existieren könnten.

Warum betrifft das jeden von uns? Das Verständnis, dass Vitamin B1 über einen Carben-Mechanismus funktioniert, ebnet den Weg für die „grüne Chemie“. Nun können wir organische Katalysatoren auf Vitaminbasis dort einsetzen, wo früher toxische Schwermetalle benötigt wurden.

Darüber hinaus verändert dies den Ansatz zur Behandlung schwerer Vitaminmangelerscheinungen und Stoffwechselstörungen. Wenn wir wissen, wie der „Panzer“ des Enzyms das aktive Zentrum schützt, können wir Medikamente entwickeln, die diesen Schutz bei genetischen Defekten wiederherstellen.

Haben Sie sich jemals gefragt, wie viele weitere „unmögliche“ Reaktionen gerade jetzt in Ihrem Körper ablaufen, nur weil die Evolution gelernt hat, die Gesetze des Reagenzglases zu umgehen? Es scheint, als wäre die Biologie weitaus mutiger als unsere kühnsten Theorien.

Worin besteht der Kern von Breslows „verrückter“ Theorie?

Vitamin B1 (Thiamin) ist in Form seines Coenzyms (Thiamindiphosphat, TPP) an zentralen Stoffwechselreaktionen beteiligt:

• der Decarboxylierung von Pyruvat (Umwandlung in Acetyl-CoA),
• dem Pentosephosphatweg,
• dem Stoffwechsel von Ketonkörpern und verzweigtkettigen Aminosäuren.

Breslow vermutete, dass Thiamin nicht nur als „gewöhnliches“ Coenzym agiert, sondern sich vorübergehend in ein carbenähnliches Zwischenprodukt (Breslow-Intermediat) verwandelt. Dieses Carben besitzt eine hohe Reaktivität und ermöglicht es Enzymen, Reaktionen zu katalysieren, die in der wässrigen Umgebung der Zelle sonst nur sehr schwer möglich wären.

Problem: Gewöhnliche Carbene reagieren augenblicklich mit Wasser und werden zerstört. Daher hielten viele Wissenschaftler Breslows Idee für „verrückt“ und unter biologischen Bedingungen für unmöglich.

Was konnte im Jahr 2025 erreicht werden?

Dem Team gelang die Synthese eines speziellen Containermoleküls (auf Imidazolium-Basis), das das Carben vor dem Angriff von Wassermolekülen schützte. Das Ergebnis:

• Das Carben konnte erstmals nicht nur erzeugt, sondern auch in flüssigem Wasser stabilisiert werden.
• Es wurde isoliert, in einem Reagenzglas versiegelt und über mehrere Monate hinweg ohne Zerfall beobachtet.
• Die Struktur wurde mittels Spektroskopie und weiterer Verfahren bestätigt.

Dies ist das erste stabile Carben in wässriger Umgebung in der Geschichte.

Warum ist das wichtig?

Grundsätzlich haben wir nun endlich den molekularen Mechanismus verstanden, nach dem Vitamin B1 funktioniert. Das verändert die Lehrbücher der Biochemie.

In der Praxis:

• Ein besseres Verständnis des Vitamin-B1-Mangels (Beriberi, neurologische Probleme bei Alkoholismus, Diabetes etc.).
• Neue Ansätze für die grüne Chemie und Biokatalyse: Carbene in Wasser können toxische Lösungsmittel und Katalysatoren ersetzen.
• Die Aussicht auf die Entwicklung wirksamerer Vitamin-B1-Analoga oder Medikamente für Stoffwechselstörungen.
• Die Methode zum Schutz von Carbenen lässt sich auf andere hochreaktive Zwischenstufen anwenden, die bisher nicht untersucht werden konnten.

Dies ist ein klassisches Beispiel dafür, dass sich eine „verrückte“ Theorie nach 67 Jahren dank des Fortschritts in der synthetischen Chemie als wahr erweist.