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Martin Billeter studierte an der ETH Zürich und promovierte 1961 in Biochemie. Seine weitere Ausbildung erfolgte am Istituto Superiore di Sanita in Rom (1962-1963) und am Department of Biochemistry an der School of Medicine der New York University (1963 bis 1965), wo er auf dem Gebiet der Nukleinsäuresynthese tätig war. Nach seiner Rückkehr in die Schweiz arbeitete er bis 1967 als Oberassistent am Laboratorium für Biochemie der ETH und wechselte dann an das damals neu gegründete Institut für Molekularbiologie I chemisch-genetischer Richtung der Universität Zürich, an dessen Aufbau er sich engagiert beteiligte.
1971 habilitierte sich Martin Billeter an der UZH und wurde zuerst zum Privatdozenten und kurz danach zum Assistenzprofessor für Molekularbiologie chemisch-genetischer Richtung ernannt. Im selben Jahr erhielt er für seine hervorragende Forschung den Friedrich-Miescher-Preis. Seine Antrittsvorlesung hielt er Anfang 1972 zum Thema «Über die Bildung von Strukturen höherer Ordnung in lebenden Systemen». Fünf Jahr später, 1977, wurde er zum Extraordinarius und 1991 zum Ordinarius ad personam befördert. 1999 wurde er schliesslich emeritiert.
In seiner Forschung beschäftigte sich Martin Billeter unter anderem mit der Aufklärung der RNA-Struktur von Bakteriophagen und mit der molekularen Genetik der Tumorviren, zu der er wichtige, neue Erkenntnisse gewann. Zudem erschloss er an der UZH ein neues Forschungsgebiet, das sich mit der Struktur-Funktionsbeziehung des Masernvirus und mit einer von diesem verursachten Hirnerkrankung, der subakuten sklerosierenden Panencephalitis, befasste. Eine Reihe hervorragender Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet haben Martin Billeter ein hohes internationales Ansehen eingebracht.