Januar 4, 2022

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Arthur Kornberg starb am 26.Oktober 2007. Er war einer der bemerkenswertesten Wissenschaftler unserer Zeit. Seine Entdeckung der DNA-Polymerase I (Bessman et al. 1958; Lehman et al. 1958a) und seine Demonstration, dass es die Basenfolge eines Template-DNA-Strangs originalgetreu kopiert (Lehman et al. 1958b) führte dazu, dass er 1959 sofort den Nobelpreis erhielt. Früher war die vorherrschende Ansicht, dass Enzyme den Stoffwechsel einer Zelle steuern und die Energie produzieren, die eine Zelle benötigt, während die DNA-Synthese Teil des Geheimnisses des Lebens ist. In einem Cold Spring Harbor Symposium Paper über die Struktur der DNA (Watson und Crick 1953) erklärten die Autoren: „Es ist für uns nicht offensichtlich, ob ein spezielles Enzym erforderlich wäre, um die Polymerisation durchzuführen, oder ob die vorhandene helikale Einzelkette effektiv als Enzym wirken könnte.“ Arthurs Arbeit mit DNA-Polymerase I hat all dies verändert, indem die Selbstreplikation von Genen auf eine biochemische Ebene mit dem Energiestoffwechsel gestellt und dem Vitalismus ein Ende gesetzt wurde. Seine Entdeckung löste einen neuen Goldrausch aus und wies den Weg, als Wissenschaftler nach Enzymen wie RNA-Polymerase suchten, die die Sequenz eines DNA-Strangs in RNA kopiert, und Restriktionsenzymen, die sich als spezifische DNA-Endonukleasen herausstellten.

Arthur wurde am 3. März 1918 geboren. Er stammte aus einer jüdischen Einwandererfamilie der Arbeiterklasse. Sein Vater hatte keine formale Ausbildung, konnte aber mindestens sechs Sprachen sprechen. Arthur war frühreif und absolvierte im Alter von 15 Jahren die Abraham Lincoln High School in New York. Als er im Alter von 19 Jahren sein Studium am City College of New York abschloss, erhielt er den besten naturwissenschaftlichen Abschluss seiner Klasse. Im College arbeitete er abends, an Wochenenden und Feiertagen und verkaufte Herrenbekleidung, und er sparte genug, um die ersten zwei Jahre der medizinischen Fakultät an der Universität von Rochester zu bezahlen.

Arthur hat seine Geschichte und seinen zufälligen Einstieg in die Forschungsarbeit in einem Annual Reviews Chapter (Kornberg 1989a) beschrieben. Als Medizinstudent war er fasziniert, Symptome einer leichten Gelbsucht in sich selbst zu finden, die sich als Gilberts-Syndrom erwies, eine Schwierigkeit bei der Metabolisierung von Bilirubin. Sein Artikel, der eine Umfrage unter Menschen mit dieser leichten Stoffwechselstörung beschreibt, wurde von Rolla Dyer, dem Direktor der National Institutes of Health (NIH), gelesen, und dies führte dazu, dass er 1942 vom Seedienst im öffentlichen Gesundheitsdienst an das NIH zurückgerufen wurde. Arthurs erste Forschung beinhaltete die Suche nach fehlenden Ernährungsfaktoren in einer synthetischen Diät, die Ratten gefüttert wurde. Während seiner Postdoktorandenarbeit 1946 bei Severo Ochoa an der New York University wurde er auf die Suche nach Enzymen umgestellt. Er wurde ein leidenschaftlicher Verfechter der Verwendung von Enzymen, um die Funktionsweise von Zellen zu dekonstruieren. Sein Credo war einfach und positiv: „Wenn eine Zelle es kann, dann kann ein Biochemiker es und ich kann es. Sein Buch über seine wissenschaftliche Karriere hieß „Aus Liebe zu Enzymen“ (Kornberg 1989b), und er schrieb Richtlinien für Anfänger zu den „Zehn Geboten“ der Verwendung von Enzymen zur Sezierung biologischer Prozesse (Kornberg 2000).

Arthur hatte eine kommandierende Präsenz; wenn er etwas sagte, hörten die Leute zu. Ich erinnere mich an die Geschichte von Arthur, der bei einer Kongressanhörung sprach. Nach der Anhörung war ein Ausschussmitglied überrascht zu erfahren, dass ein anderes Mitglied seine Stimme geändert hatte, und fragte ihn, warum er dies getan habe. „Ich will von Arthur Kornberg nicht als Narr bezeichnet werden“, lautete die Antwort. Dan Koshland, ein langjähriger Freund von Arthur, sprach bei einer Veranstaltung, die Arthur organisiert hatte. Er begann mit den Worten: „Ich sage niemals Nein zu Arthur Kornberg.“ Andererseits würde Arthur Sie in einem persönlichen Gespräch sofort beruhigen. Ein Freund bemerkte: „Er gab dir das Gefühl, dass seine ganze Aufmerksamkeit auf dich gerichtet war.“

Eine von Arthurs vielen bemerkenswerten Fähigkeiten war der Abteilungsbau. Er verließ das NIH 1953, um Vorsitzender einer neuen Abteilung für Mikrobiologie an der Washington University, St. Louis, zu werden, wo er einst kurzzeitig Postdoktorand bei Carl und Gerty Cori war. Arthur bewunderte sie sehr (Kornberg 2005), und die Aussicht auf eine Erneuerung des Kontakts war eine starke Anziehungskraft. Einer seiner ersten großen Termine war Melvin Cohn, der mehrere Jahre am Institut Pasteur in Paris verbracht hatte und mit Jacques Monod daran arbeitete, die Geschichte der induzierten Enzymsynthese in Escherichia coli zu entwirren. Mel hatte einen starken Hintergrund in der Immunologie von seiner frühen Arbeit mit A.M. Pappenheimer Jr., und in St. Louis begann er eine Studie der Antikörpersynthese in einzelnen Zellen. Die anderen Mitglieder der Abteilung in St. Diejenigen, die später mit Arthur nach Stanford ziehen würden, waren Paul Berg und Bob Lehman, die Postdoktoranden bei Arthur gewesen waren, und Dave Hogness und Dale Kaiser, die beide vom Institut Pasteur stammten.

Als Arthur 1958 der Lehrstuhl für Biochemie in Stanford angeboten wurde, sagte er nicht ja, aber er sagte nicht nein. Stattdessen antwortete er: „Ich muss nach St. Louis zurückkehren, um meine Kollegen zu konsultieren.“ Der Anlass für die Gründung einer neuen Abteilung für Biochemie war der Umzug der Stanford Medical School von San Francisco auf den Stanford-Hauptcampus in der Nähe von Palo Alto. Stanford ernannte auch Joshua Lederberg zum Vorsitzenden einer neuen Genetikabteilung; Sein Büro in Stanford würde in der Nähe von Arthur sein. Als die Abteilung in St. Louis im Juni 1959 nach Stanford zog, trat ich als physikalischer Biochemiker von der University of Wisconsin bei.

Die neue Wissenschaft der Molekularbiologie entstand gerade 1959, und die Aufregung in unserer Abteilung war intensiv. Das zentrale Dogma, DNA macht RNA macht Proteine, wurde weithin akzeptiert, aber viele der biochemischen Schritte waren Geheimnisse. In St. Zuvor hatte Paul Berg eine Studie über die Enzym-Aminoacyl-Adenylate begonnen, die Zwischenprodukte bei der Synthese von Aminoacyl-tRNAs sind (Berg 1961), und Paul analysierte weiterhin Schritte in der Proteinsynthese. Arthurs Arbeit an der enzymatischen Synthese von DNA hatte die Notwendigkeit gezeigt, die Nukleasen von E. coli, die Enzyme, die DNA abbauen, zu charakterisieren, und Bob Lehman hatte diese Arbeit in St. Louis begonnen. Dave Hogness und Dale Kaiser hatten eine Studie über Bakteriophagen lambda als Modell dafür durchgeführt, wie ein kleines Genom seinen Lebenszyklus durchläuft. Sie entwickelten Methoden, um diese Studie auf DNA- und mRNA-Ebene durchzuführen. Zwei Postdoktoranden aus Australien, Ross Inman und Gerry Wake, schlossen sich mir an, um zu testen, ob die neu synthetisierte DNA von Pol I basenpaart bleibt mit seinem Schablonenstrang, indem DNA-Schmelzkurven verwendet werden, um Doppelhelices zu unterscheiden, die 5-Bromouracil in einem Strang enthalten.

Arthur dachte sorgfältig über Details der Organisation der Abteilung nach und setzte sie in das Leben der medizinischen Fakultät und der Universität ein. Sein Plan war es, den idealen Arbeitsplatz zu schaffen. Die Forschungsgruppen würden miteinander kooperieren und nichts würde die Forschung beeinträchtigen, obwohl die Abteilung stolz auf die Lehre ihres beliebten Kurses in allgemeiner Biochemie war. Arthur diskutierte manchmal mit Wallace Sterling, dem Präsidenten von Stanford, seine Ideen darüber, wie sich die medizinische Wissenschaft in Stanford entwickeln sollte. Er lud Präsident Sterling zweimal zu einem informellen Mittagessen mit der Fakultät für Biochemie ein, damit wir ihn auch kennenlernen konnten.

Hier sind einige der Innovationen, die Arthur gemacht hat, als die Abteilung 1959 begann. Studenten und Postdoktoranden wurden in gemeinsamen Labors zusammengebracht, so dass die verschiedenen Forschungsgruppen mit der Forschungsarbeit des anderen vertraut waren. Seltene Enzyme wurden geteilt, und wichtige Instrumente wurden allen zur Verfügung gestellt. Forschungsstipendien wurden geteilt. Von jedem Fakultätsmitglied wurde erwartet, dass es den von seiner Gruppe ausgegebenen Geldbetrag einbringt, Eine strenge Buchhaltung war jedoch nicht erforderlich und es gab keine finanziellen Fristen. Die gesamte Abteilung besuchte Dienstag / Donnerstag Mittag Seminare. Zunächst hielten nur Fakultätsmitglieder und Gastwissenschaftler Vorträge, später kamen Postdoktoranden und Oberstudierende hinzu. Die Abteilung zugelassen nur vier neue Studenten pro Jahr für eine Fakultät von sieben, und Studieninteressierte wurden streng gescreent. Viele der frühen Studenten wurden bekannte Wissenschaftler. Die Gruppengrößen wurden klein gehalten. Die Fakultätsmitglieder arbeiteten selbst im Labor und unterrichteten die Studenten nach der Lehrlingsmethode. Fakultätssitzungen fanden nur statt, wenn es etwas Wichtiges zu entscheiden gab; Arthur traf kleinere Entscheidungen selbst. Fragen wurden in Fakultätssitzungen im Konsens entschieden; Sobald ein Thema diskutiert worden war, Es bestand keine Notwendigkeit zur Abstimmung. Wie hat das alles in der Praxis funktioniert? Fabelhaft, so Postdoktoranden, die sich, als sie neue Jobs begannen und gingen, wehmütig an ihre Tage in Stanford erinnerten.

Von den ursprünglich sieben Fakultätsmitgliedern blieb nur noch eines übrig. Im Jahr 1959 spürte ich Spannungen zwischen Arthur und Mel Cohn darüber, wie biologische Probleme angegangen werden sollten. Mel sprach begeistert über die Gestaltbiologie, die Ansicht, dass man ein biologisches Problem nicht verstehen kann, indem man es in Teile zerlegt. Arthur befürwortete die Verwendung von Chemie, insbesondere Enzymen, als grundlegendes Werkzeug zur Lösung biologischer Probleme. 1962 verließ Mel Cohn Stanford für das neu gegründete Salk Institute, und 1963-64 schlossen sich Lubert Stryer und George Stark unserer Abteilung an. Sie führten bald innovative Experimente durch, insbesondere die Entwicklung neuer Methoden, die große Aufmerksamkeit erregten. Luberts Experimente zum Fluoreszenzenergietransfer (Stryer und Haugland 1967) führten zur Entwicklung von FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) als wichtiges biophysikalisches Werkzeug. George entwickelte weit verbreitete Methoden zur Analyse von Transkriptions- und Übersetzungsexperimenten auf Papier: die Northern-Methode (Alwine et al. 1977) für mRNAs und die Western-Methode (Renart et al. 1979) für Proteine. Obwohl sowohl Lubert als auch George schließlich unsere Abteilung verließen, blieben sie eng verbunden. 1971 trat Ron Davis der Abteilung bei und verließ Stanford wie die ursprünglichen sechs Fakultäten nie. Ron brachte die Elektronenmikroskopie von DNA mit, ein leistungsfähiges Werkzeug, das bald in der Abteilung weit verbreitet war.

Die frühe Biochemie-Abteilung von Stanford war eine Gemeinschaft, in der alle die Entdeckungen anderer teilten und sich darüber freuten. Im Jahr 1959 versammelte sich die gesamte Abteilung an einem Abend im Monat in Arthurs Haus, um die neuesten Erkenntnisse einer Forschungsgruppe zu hören. Innerhalb weniger Jahre konnten wir nicht alle in Arthurs Wohnzimmer passen und wir versuchten, uns in einem Raum auf dem Stanford-Campus zu treffen, aber die Atmosphäre war nicht dieselbe. Dann, 1972, begannen wir zweimal im Jahr Treffen in Asilomar, die einige Tage dauerten und bei denen alle Forschungsgruppen berichteten. Damals gab es bei jedem Treffen immer mindestens eine überraschende Entdeckung.

Bis 1970 waren Lösungen für die Hauptprobleme, wie DNA RNA zu Proteinen macht, zumindest in Umrissen klar, und unsere Fakultätsmitglieder gingen zu neuen Problemen über. Arthur hatte herausgefunden, dass die DNA-Replikation selbst in einfachen viralen Systemen ein Multienzym-Problem darstellt, und er begann, die detaillierten enzymatischen Mechanismen der DNA-Replikation herauszufinden, zuerst der Phagen M13 und φx174, dann von E. coli selbst. Paul Berg unternahm die Untersuchung von Tierviren und beschäftigte sich bald mit Problemen der rekombinanten DNA. Bob Lehman begann, die genetische Rekombination auf DNA-Ebene mit enzymatischen und genetischen Werkzeugen zu untersuchen. Dave Hogness untersuchte die Entwicklung von Drosophila auf DNA- und mRNA-Ebene, indem er Entwicklungsmutanten untersuchte, die Monster mit zusätzlichen Beinen oder Flügeln bilden. Dale Kaiser wählte ein bakterielles System, Myxococcus, um eine genetische Analyse der Entwicklung in einem prokaryotischen System durchzuführen. Sogar Arthur testete die Möglichkeit, die Entwicklung auf enzymatischer Ebene zu untersuchen, indem er Bakteriensporen als mögliches Modellsystem verwendete. Seine DNA-Replikationsarbeit schob jedoch Sporen beiseite. Ich begann eine Suche nach strukturellen Zwischenprodukten in der Proteinfaltung und dem Mechanismus der Faltung.

Ein dramatischer Moment kam 1969, als John Cairns bekannt gab, dass er und sein Assistent eine lebensfähige Mutante von E. coli gefunden hatten, der die nachweisbare Aktivität des Enzyms DNA-Polymerase I fehlt (De Lucia und Cairns 1969). Eine Suche nach anderen DNA-Polymerasen folgte bald. Erstaunlicherweise war es Arthurs Sohn Tom, der mit Malcolm Gefter in Columbia zusammenarbeitete und zuerst DNA-Polymerase II und dann DNA-Polymerase III fand, das Enzym, das das E. coli-Chromosom repliziert. Die Geschichte wird von Arthur in seinen wissenschaftlichen Memoiren (Kornberg 1989a) zusammengefasst. Tom war Musikstudent an der Juilliard mit einer vielversprechenden Karriere als Cellist vor ihm. Zu der Zeit, als Cairns ‚Mutant öffentlich bekannt wurde, hatte Tom eine Verletzung an seiner Hand erlitten, die sein Cellospiel beeinträchtigte. Ohne eine formale Ausbildung in Biochemie trat Tom in das Labor von Gefter ein und war dort erfolgreich, wo andere wenig Glück hatten. Ein weiterer dramatischer Moment kam 2006, als Arthurs ältester Sohn Roger den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeit über die molekularen Grundlagen der eukaryotischen Transkription erhielt (Kornberg 2007). Arthurs dritter Sohn, Ken, ist ein Architekt, der für seine Entwürfe wissenschaftlicher Laboratorien bekannt ist.

Hier sind zwei Beispiele für Forschung, die aufgrund von Arthurs Politik der Vermischung von Forschungsgruppen in gemeinsamen Laboratorien begann. 1968 teilte Immo Scheffler, ein Student in meiner Gruppe, der DNA–Helix-Coil-Übergänge in Haarnadelhelices analysierte, ein Labor mit Toto Olivera, einem Postdoktoranden in Bob Lehmans Gruppe, der die enzymatischen Eigenschaften von E. coli DNA-Ligase untersuchte. Toto und Immo fanden heraus, dass die Ligase d (TA) n-Oligoncleotide zu einzelsträngigen zirkulären Molekülen verschließt (Olivera et al. 1968), wenn sie groß genug sind (n = 16 oder größer). Dann fanden Immo und Elliot Elson, die mit Immo an der Analyse der Haarnadelschmelzkurven arbeiteten, heraus, dass sie die zirkulären Oligonukleotide, die doppelte Haarnadelhelices mit einer Vier-Basen-Schleife an jedem Ende bilden, verwenden konnten, um detaillierte Informationen über die Rolle von zu erhalten kleine Schleifen beim DNA-Schmelzen (Scheffler et al. 1970). Ein zweites Beispiel liefert Doug Vollrath, ein Student in Ron Davis ‚Gruppe, der sich 1986 ein Labor mit Gil Chu, einem Postdoktoranden in Paul Bergs Gruppe, teilte. Gil hat einen Ph.D. in Physik vom Massachusetts Institute of Technology. Doug versuchte, besser aufgelöste Agarosegelmuster für riesige DNA-Moleküle zu erhalten, indem er die neue Technik der Anwendung eines elektrischen Wechselfeldes verwendete, das die starke Abhängigkeit der DNA-Neuorientierungszeit vom Molekulargewicht ausnutzt. Gil erkannte, dass er das Problem lösen konnte, gerade, regelmäßige DNA-Banden zu erhalten, die durch Lösen von Gleichungen aus der grundlegenden elektrischen Theorie gut gelöst werden. Seine Lösung erfordert mehrere Elektroden, deren Spannungen individuell gesteuert werden können. Das Ergebnis waren wunderschön aufgelöste DNA-Bandenmuster (Chu et al. 1986).

Als Beispiel dafür, wie die Politik des Teilens von Enzymen funktionierte, erinnert sich Dale Kaiser an Arthurs Geschenk von 1965 von zwei gereinigten Enzymen, die die Arbeit von Dales Labor an den kohäsiven Enden der Phagen-Lambda-DNA ermöglichten (Strack und Kaiser 1965). Die beiden Enzyme waren E. coli exo III, das DNA-Stränge vom 3′-Ende abbaut, und E. coli DNA Pol I, das die Basensequenz eines Template-Strangs durch Synthese von DNA am 3′-Ende eines Primerstrangs kopiert. Die hohen Spezifitäten der beiden Enzyme sind wichtig für die Interpretation der Ergebnisse. Strack und Kaiser verfügten über einen Infektivitätstest, der die Fähigkeit gereinigter Lambda-DNA misst, Phagen in E. coli zu produzieren, wenn auch inaktive Helferphagen hinzugefügt werden. Es war bekannt, dass gereinigte Lambda-DNA kohäsive Stellen aufweist (Hershey et al. 1963), die bei der Bildung von DNA-Dimeren und -trimeren wirken. Strack und Kaiser fanden heraus, dass sowohl Exo III als auch Pol I Lambda-DNA inaktivieren, wie durch den Infektionstest getestet, und innere genetische Marker gehen nach der Enzymbehandlung mit der gleichen Geschwindigkeit wie äußere Marker verloren, was darauf hinweist, dass jedes der beiden Enzyme Lambda-DNA in einem All-or-None-Prozess inaktiviert. Ihre Ergebnisse passen zu einem Modell, in dem baumelnde Einzelstrangenden an jedem Ende der doppelsträngigen Lambda-DNA hervorstehen und die von Hershey und Mitarbeitern (1963) gefundenen kohäsiven Stellen liefern. Exo III degradiert progressiv vom 3′-Ende, während pol I das baumelnde 5′-Ende als Schablone verwendet, um das 3′-Ende zu verlängern, bis nur noch doppelsträngige DNA übrig bleibt, was verhindert, dass die Lambda-DNA zirkuliert.

1990, im Alter von 72 Jahren, begann Arthur ein neues Forschungsgebiet, die enzymatische Synthese und den Abbau von Polyphosphat, das die Untersuchung der biologischen Funktionen von Polyphosphat beinhaltete. Arthur und seine verstorbene Frau Sylvy hatten bereits 1956 die Polyphosphatsynthese in E. coli entdeckt (Kornberg et al. 1956). Polyphosphat enthält energiereiche Phosphatbindungen und kann zur Herstellung von ATP aus AMP verwendet werden. Polyphosphat ist somit eine Speicherform der Reserveenergie für Bakterienzellen und es ist zu erwarten, dass es eine wichtige Rolle im Lebenszyklus von Bakterien spielt. Arthur fand zahlreiche Fälle, in denen dies zutrifft (Kornberg 1999). Insbesondere bei pathogenen Bakterien ist der Polyphosphatstoffwechsel häufig für die Virulenz erforderlich.

Arthur war stolz auf die wissenschaftlichen Leistungen aller Forschungsgruppen in unserer Abteilung und interessierte sich persönlich für jeden, der vorbeikam. Viele der Absolventen sind sich der Rolle von Arthur sehr bewusst, die Abteilung zu einem großartigen Ort für Forschung zu machen. Ich für meinen Teil weiß, dass es tief im Inneren das Stanford-Umfeld war, das erstklassige Leute zu meiner Gruppe zog, und es war Arthur, der hauptsächlich verantwortlich war.

Als Arthur im Oktober an Atemversagen starb, war er 89 Jahre alt und seit etwa einer Woche krank. Zuvor leitete er aktiv die Forschung zu Polyphosphat. Die Stanford Biochemie-Abteilung erinnerte Arthur mit einem 4-stündigen „Teach-in.“ Studenten und Lehrkräfte wählten Lieblingsarbeiten aus Arthurs Liste von 463 Publikationen aus und gaben kurze 5- bis 10-minütige Zusammenfassungen. Das hätte Arthur gefallen.

ROBERT L. BALDWIN
Abteilung für Biochemie, Beckman Center, Stanford Medical Center, Stanford, CA

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