janvier 4, 2022

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Arthur Kornberg est décédé le 26 octobre 2007. Il était l’un des scientifiques les plus remarquables de notre temps. Sa découverte de l’ADN polymérase I (Bessman et al. 1958; Lehman et coll. 1958a) et sa démonstration qu’il copie fidèlement la séquence de base d’un brin d’ADN modèle (Lehman et al. 1958b) lui valut immédiatement le prix Nobel en 1959. Auparavant, l’opinion dominante était que les enzymes dirigent le métabolisme d’une cellule et produisent l’énergie dont une cellule a besoin, tandis que la synthèse de l’ADN fait partie du mystère de la vie. Dans un article du Symposium de Cold Spring Harbor sur la structure de l’ADN (Watson et Crick, 1953), les auteurs ont déclaré: « Il n’est pas évident pour nous de savoir si une enzyme spéciale serait nécessaire pour effectuer la polymérisation ou si la chaîne unique hélicoïdale existante pourrait agir efficacement comme une enzyme. »Le travail d’Arthur avec l’ADN polymérase a changé tout cela, plaçant l’auto-réplication des gènes sur un pied d’égalité biochimique avec le métabolisme énergétique et mettant fin au vitalisme. Sa découverte a lancé une nouvelle ruée vers l’or, montrant la voie alors que les scientifiques couraient pour trouver des enzymes comme l’ARN polymérase, qui copie la séquence d’un brin d’ADN en ARN, et des enzymes de restriction, qui se sont avérées être des endonucléases d’ADN spécifiques.

Arthur est né le 3 mars 1918. Il est issu d’une famille ouvrière immigrée juive. Son père n’avait pas d’éducation formelle mais pouvait parler au moins six langues. Arthur était précoce et a obtenu son diplôme du lycée Abraham Lincoln à New York à l’âge de 15 ans. Lorsqu’il est diplômé du City College de New York à l’âge de 19 ans, il a reçu le meilleur diplôme scientifique de sa classe. Au collège, il travaillait le soir, le week-end et les jours fériés à vendre des vêtements pour hommes, et il économisait suffisamment pour payer les deux premières années d’études de médecine à l’Université de Rochester.

Arthur a décrit son histoire et son entrée accidentelle dans des travaux de recherche dans un chapitre de Revues annuelles (Kornberg 1989a). En tant qu’étudiant en médecine, il a été intrigué de trouver en lui-même des symptômes d’une légère jaunisse, qui se sont avérés être le syndrome de Gilberts, une difficulté à métaboliser la bilirubine. Son article décrivant une enquête auprès des personnes atteintes de ce léger trouble métabolique a été lu par Rolla Dyer, le directeur des National Institutes of Health (NIH), ce qui lui a valu d’être rappelé aux NIH de son service en mer dans le Service de santé publique en 1942. La première recherche d’Arthur consistait à rechercher les facteurs nutritionnels manquants dans un régime alimentaire synthétique nourri aux rats. Il s’est converti à la recherche d’enzymes lors d’un travail postdoctoral en 1946 avec Severo Ochoa à l’Université de New York. Il est devenu un défenseur passionné de l’utilisation d’enzymes pour déconstruire le fonctionnement des cellules. Son credo était simple et positif: « Si une cellule peut le faire, alors un biochimiste peut le faire et je peux le faire. »Son livre sur sa carrière scientifique a été nommé « Pour l’amour des enzymes » (Kornberg 1989b), et il a écrit des lignes directrices pour les débutants sur les « Dix Commandements » de l’utilisation des enzymes pour disséquer les processus biologiques (Kornberg 2000).

Arthur avait une présence dominante; quand il disait quelque chose, les gens écoutaient. Je me souviens de l’histoire d’Arthur qui parlait lors d’une audience au congrès. Après l’audience, un membre du comité a été surpris d’apprendre qu’un autre membre avait changé son vote et lui a demandé pourquoi il avait fait cela. « Je ne veux pas être traité d’imbécile par Arthur Kornberg » était la réponse. Dan Koshland, un ami de longue date d’Arthur, prenait la parole lors d’un événement qu’Arthur avait organisé. Il a commencé par dire « Je ne dis jamais « non » à Arthur Kornberg. »D’un autre côté, Arthur vous mettait immédiatement à l’aise dans une conversation personnelle. Un ami a fait remarquer: « Il vous a fait sentir que toute son attention était concentrée sur vous. »

L’une des nombreuses capacités remarquables d’Arthur était la construction d’un département. Il a quitté les NIH en 1953 pour devenir président d’un nouveau département de microbiologie à l’Université de Washington, à St. Louis, où il a brièvement été chercheur postdoctoral avec Carl et Gerty Cori. Arthur les admirait beaucoup (Kornberg 2005), et la perspective de renouer le contact était une forte attraction. L’une de ses premières nominations majeures a été Melvin Cohn, qui avait passé plusieurs années à l’Institut Pasteur de Paris, travaillant avec Jacques Monod à démêler l’histoire de la synthèse enzymatique induite chez Escherichia coli. Mel avait une solide formation en immunologie dès ses premiers travaux avec A.m. Pappenheimer Jr., et à St. Louis, il a commencé une étude de la synthèse d’anticorps dans des cellules uniques. Les autres membres du département à St. Louis qui déménagera plus tard à Stanford avec Arthur étaient Paul Berg et Bob Lehman, qui avaient été boursiers postdoctoraux avec Arthur, et Dave Hogness et Dale Kaiser, qui venaient tous deux de l’Institut Pasteur.

Quand Arthur s’est vu offrir la chaire de biochimie à Stanford en 1958, il n’a pas dit oui mais il n’a pas dit non. Au lieu de cela, il a répondu: « Je dois retourner à Saint-Louis pour consulter mes collègues. »L’occasion de former un nouveau département de biochimie a été le déménagement de la Stanford Medical School de San Francisco vers le campus principal de Stanford près de Palo Alto. Stanford a également nommé Joshua Lederberg Président d’un nouveau Département de génétique; son bureau à Stanford serait proche de celui d’Arthur.Lorsque le département de St. Louis a déménagé à Stanford en juin 1959, je l’ai rejoint en tant que biochimiste physique, venant de l’Université du Wisconsin.

La nouvelle science de la biologie moléculaire venait de voir le jour en 1959, et le niveau d’excitation dans notre département était intense. Le dogme central, l’ADN fait l’ARN fait les protéines, a été largement accepté, mais bon nombre des étapes biochimiques étaient des mystères. À St. Louis, Paul Berg avait commencé une étude des adénylates d’aminoacyle enzymatiques qui sont des intermédiaires dans la synthèse des ARNT d’aminoacyle (Berg 1961), et Paul a continué à analyser les étapes de la synthèse des protéines. Les travaux d’Arthur sur la synthèse enzymatique de l’ADN avaient montré la nécessité de caractériser les nucléases d’E. coli, les enzymes qui dégradent l’ADN, et Bob Lehman avait commencé ce travail à Saint-Louis. Dave Hogness et Dale Kaiser avaient entrepris une étude du bactériophage lambda comme modèle pour la façon dont un petit génome traverse son cycle de vie. Ils développaient des méthodes pour réaliser cette étude au niveau de l’ADN et de l’ARNm. Deux stagiaires postdoctoraux australiens, Ross Inman et Gerry Wake, se sont joints à moi pour tenter de vérifier si l’ADN nouvellement synthétisé fabriqué par Pol I reste apparié à la base avec son brin modèle, en utilisant des courbes de fusion de l’ADN pour distinguer les doubles hélices contenant du 5-bromouracile dans un brin.

Arthur a soigneusement réfléchi aux détails de l’organisation du département ainsi qu’à son intégration dans la vie de la faculté de médecine et de l’université. Son plan était de créer le lieu de travail idéal. Les groupes de recherche coopéreraient les uns avec les autres et rien n’interférerait avec la recherche, bien que le département soit fier de l’enseignement de son cours populaire de biochimie générale. Arthur discutait parfois avec Wallace Sterling, le président de Stanford, de ses idées sur la façon dont la science médicale devrait se développer à Stanford. Il a invité deux fois le président Sterling à un déjeuner informel avec la faculté de biochimie afin que nous le connaissions aussi.

Voici quelques-unes des innovations qu’Arthur a apportées lors de la création du département en 1959. Les étudiants et les stagiaires postdoctoraux ont été mélangés dans des laboratoires communs afin que les différents groupes de recherche se familiarisent avec les travaux de recherche des autres. Des enzymes rares ont été partagées et des instruments majeurs ont été mis à la disposition de tous. Des subventions de recherche ont été partagées. Chaque membre du corps professoral devait apporter le montant d’argent dépensé par son groupe, mais une comptabilité stricte n’était pas requise et il n’y avait pas de délais financiers. L’ensemble du département a assisté aux séminaires du mardi/ jeudi midi. Au début, seuls les membres du corps professoral et les scientifiques invités ont donné des conférences, mais plus tard, des stagiaires postdoctoraux et des étudiants de niveau supérieur ont été ajoutés. Le département n’a admis que quatre nouveaux étudiants chaque année pour une faculté de sept étudiants, et les étudiants potentiels ont été sélectionnés de manière rigoureuse. Beaucoup des premiers étudiants sont devenus des scientifiques bien connus. La taille des groupes était réduite. Les membres du corps professoral travaillaient eux-mêmes dans le laboratoire et enseignaient aux étudiants par la méthode de l’apprenti. Les réunions du corps professoral n’avaient lieu que lorsqu’il y avait quelque chose d’important à décider; Arthur prenait lui-même des décisions moins importantes. Les questions étaient tranchées par consensus lors des réunions du corps professoral; une fois qu’une question avait été discutée, il n’était pas nécessaire de voter. Comment tout cela a-t-il fonctionné dans la pratique? Fabuleusement, selon les boursiers postdoctoraux qui, lorsqu’ils ont commencé de nouveaux emplois et sont partis, se sont souvenus avec nostalgie de leurs jours à Stanford.

Des sept membres du corps professoral d’origine, un seul est resté. En 1959, j’ai senti une tension entre Arthur et Mel Cohn sur la façon de résoudre les problèmes biologiques. Mel a parlé avec enthousiasme de la biologie Gestalt, l’opinion selon laquelle on ne peut pas comprendre un problème biologique en le disséquant en plusieurs parties. Arthur préconisait l’utilisation de la chimie, en particulier des enzymes, comme outil de base pour résoudre les problèmes biologiques. En 1962, Mel Cohn a quitté Stanford pour le tout nouveau Salk Institute, et en 1963-64, Lubert Stryer et George Stark ont rejoint notre département. Ils ont rapidement fait des expériences innovantes, en particulier en développant de nouvelles méthodes qui ont attiré une large attention. Les expériences de Lubert sur le transfert d’énergie par fluorescence (Stryer et Haugland 1967) ont conduit au développement du FRET (transfert d’énergie par résonance de fluorescence) comme outil biophysique majeur. George a développé des méthodes largement utilisées pour analyser les expériences de transcription et de traduction sur papier: la méthode du Nord (Alwine et al. 1977) pour les ARNM et la méthode occidentale (Renart et al. 1979) pour les protéines. Bien que Lubert et George aient finalement quitté notre département, ils ont conservé des liens étroits. En 1971, Ron Davis a rejoint le département et, comme les six professeurs d’origine, n’a jamais quitté Stanford. Ron a apporté avec lui la microscopie électronique de l’ADN, un outil puissant qui a rapidement été largement utilisé dans le département.

Le premier département de biochimie de Stanford était une communauté où tout le monde partageait et se réjouissait des découvertes faites par les autres. En 1959, tout le département se réunissait chez Arthur un soir par mois pour écouter les dernières découvertes d’un groupe de recherche. En quelques années, nous ne pouvions pas tous entrer dans le salon d’Arthur et nous avons essayé de nous rencontrer dans une pièce du campus de Stanford, mais l’atmosphère n’était pas la même. Puis, en 1972, nous avons commencé des réunions deux fois par an à Asilomar, d’une durée de quelques jours, au cours desquelles tous les groupes de recherche ont rendu compte. À cette époque, il y avait toujours au moins une découverte surprenante à chaque réunion.

En 1970, les solutions aux principaux problèmes de la façon dont l’ADN fabrique l’ARN fabrique les protéines étaient claires au moins dans les grandes lignes, et nos membres du corps professoral passaient à de nouveaux problèmes. Arthur avait découvert que la réplication de l’ADN était un problème multi-enzymatique même dans des systèmes viraux simples, et il a commencé à travailler sur les mécanismes enzymatiques détaillés de la réplication de l’ADN, d’abord des phages M13 et φx174, puis d’E. coli lui-même. Paul Berg a entrepris l’étude des virus animaux et a rapidement été impliqué dans des problèmes d’ADN recombinant. Bob Lehman a commencé à étudier la recombinaison génétique au niveau de l’ADN, en utilisant des outils enzymatiques et génétiques. Dave Hogness a entrepris l’analyse du développement de la Drosophile au niveau de l’ADN et de l’ARNm en étudiant des mutants développementaux qui fabriquent des monstres avec des pattes ou des ailes supplémentaires. Dale Kaiser a choisi un système bactérien, le Myxocoque, pour réaliser une analyse génétique du développement dans un système procaryote. Même Arthur a testé les eaux d’investigation du développement au niveau enzymatique en utilisant des spores bactériennes comme système modèle possible. Cependant, son travail de réplication de l’ADN a écarté les spores. J’ai commencé une recherche d’intermédiaires structurels dans le repliement des protéines et le mécanisme de repliement.

Un moment dramatique est venu en 1969 lorsque John Cairns a annoncé que lui et son assistant avaient trouvé un mutant viable d’E. coli qui n’avait pas d’activité détectable de l’enzyme ADN polymérase I (De Lucia et Cairns 1969). Une recherche d’autres ADN polymérases a rapidement suivi. Étonnamment, c’est le fils d’Arthur, Tom, travaillant avec Malcolm Gefter chez Columbia, qui a découvert la première ADN polymérase II, puis l’ADN polymérase III, l’enzyme qui réplique le chromosome d’E. coli. L’histoire est résumée par Arthur dans ses mémoires scientifiques (Kornberg 1989a). Tom était un étudiant en musique à Juilliard avec une carrière prometteuse de violoncelliste devant lui. Au moment où le mutant de Cairns est devenu public, Tom avait subi une blessure à la main qui interférait avec son jeu de violoncelle. Sans formation formelle en biochimie, Tom a rejoint le laboratoire de Gefter et a réussi là où d’autres avaient peu de chance. Un autre moment dramatique est survenu en 2006 lorsque le fils aîné d’Arthur, Roger, a reçu le prix Nobel de chimie pour ses travaux sur la base moléculaire de la transcription eucaryote (Kornberg 2007). Le troisième fils d’Arthur, Ken, est un architecte connu pour ses conceptions de laboratoires scientifiques.

Voici deux exemples de recherches qui ont décollé à cause de la politique d’Arthur consistant à mélanger des groupes de recherche dans des laboratoires communs. En 1968, Immo Scheffler, un étudiant de mon groupe qui analysait les transitions hélice-bobine d’ADN dans les hélices en épingle à cheveux, a partagé un laboratoire avec Toto Olivera, un chercheur postdoctoral du groupe de Bob Lehman qui examinait les propriétés enzymatiques de l’ADN ligase d’E. coli. Toto et Immo ont constaté que la ligase fermerait les oligoncléotides d(TA)n en molécules circulaires à un brin (Olivera et al. 1968) s’ils sont suffisamment grands (n = 16 ou plus). Ensuite, Immo et Elliot Elson, qui travaillaient avec Immo sur l’analyse des courbes de fusion en épingle à cheveux, ont découvert qu’ils pouvaient utiliser les oligonucléotides circulaires, qui forment des hélices doubles en épingle à cheveux avec une boucle à quatre bases à chaque extrémité, pour obtenir des informations détaillées sur le rôle des petites boucles dans la fusion de l’ADN (Scheffler et al. 1970). Un deuxième exemple est fourni par Doug Vollrath, un étudiant du groupe de Ron Davis qui, en 1986, partageait un laboratoire avec Gil Chu, un boursier postdoctoral du groupe de Paul Berg. Gil est titulaire d’un doctorat en physique du Massachusetts Institute of Technology. Doug essayait d’obtenir des motifs de gel d’agarose mieux résolus pour des molécules d’ADN géantes en utilisant la nouvelle technique d’application d’un champ électrique alternatif, qui tire parti de la forte dépendance du temps de réorientation de l’ADN sur le poids moléculaire. Gil a réalisé qu’il pouvait résoudre le problème de l’obtention de bandes d’ADN droites et régulières qui sont bien résolues en résolvant des équations de la théorie électrique de base. Sa solution nécessite plusieurs électrodes dont les tensions peuvent être contrôlées individuellement. Le résultat a été des motifs de bande d’ADN magnifiquement résolus (Chu et al. 1986).

À titre d’exemple du fonctionnement de la politique de partage des enzymes, Dale Kaiser se souvient du don par Arthur en 1965 de deux enzymes purifiées qui ont rendu possible le travail du laboratoire de Dale sur les extrémités cohésives de l’ADN lambda du phage (Strack et Kaiser 1965). Les deux enzymes étaient E. coli exo III, qui dégrade les brins d’ADN de l’extrémité 3′, et E. coli ADN Pol I, qui copie la séquence de base d’un brin modèle en synthétisant de l’ADN à l’extrémité 3′ d’un brin d’amorce. Les spécificités élevées des deux enzymes sont importantes dans l’interprétation des résultats. Strack et Kaiser disposaient d’un test d’infectiosité qui mesure la capacité de l’ADN lambda purifié à produire du phage chez E. coli lorsque du phage auxiliaire inactif est également ajouté. On savait que l’ADN lambda purifié avait des sites cohésifs (Hershey et al. 1963) qui fonctionnent dans la formation de dimères et de trimères d’ADN. Strack et Kaiser ont constaté que l’exo III et le Pol I inactivent l’ADN lambda, tel que testé par le test d’infectiosité, et que les marqueurs génétiques internes sont perdus après un traitement enzymatique au même rythme que les marqueurs externes, indiquant que chacune des deux enzymes inactive l’ADN lambda dans un processus tout ou rien. Leurs résultats correspondent à un modèle dans lequel des extrémités pendantes à un brin font saillie à chaque extrémité de l’ADN lambda double brin et fournissent les sites cohésifs trouvés par Hershey et ses collègues (1963). Exo III se dégrade progressivement à partir de l’extrémité 3′ tandis que pol I utilise l’extrémité 5′ pendante comme modèle pour étendre l’extrémité 3′ jusqu’à ce qu’il ne reste que de l’ADN double brin, ce qui empêche l’ADN lambda de circuler.

En 1990, à l’âge de 72 ans, Arthur a commencé un nouveau domaine de recherche, la synthèse et la dégradation enzymatiques du polyphosphate, qui consistait à étudier les fonctions biologiques du polyphosphate. Arthur et sa défunte épouse, Sylvy, avaient découvert la synthèse de polyphosphate dans E. coli en 1956 (Kornberg et al. 1956). Le polyphosphate contient des liaisons phosphates à haute énergie et peut être utilisé pour fabriquer de l’ATP à partir d’AMP. Ainsi, le polyphosphate est une forme de stockage d’énergie de réserve pour les cellules bactériennes et peut jouer un rôle essentiel dans le cycle de vie des bactéries. Arthur a trouvé de nombreux cas dans lesquels cela est vrai (Kornberg 1999). Notamment, chez les bactéries pathogènes, le métabolisme du polyphosphate est généralement requis pour la virulence.

Arthur était fier des réalisations scientifiques de tous les groupes de recherche de notre département, et il s’intéressait personnellement à tous ceux qui passaient par là. Bon nombre des diplômés sont parfaitement conscients du rôle d’Arthur dans le fait que le département soit un endroit idéal pour faire de la recherche. Pour ma part, je sais au fond que c’est l’environnement de Stanford qui a attiré des gens de premier ordre dans mon groupe, et c’est Arthur qui en était le principal responsable.

Quand Arthur est mort d’une insuffisance respiratoire en octobre, il avait 89 ans et il était malade depuis environ une semaine. Auparavant, il dirigeait activement des recherches sur le polyphosphate. Le département de biochimie de Stanford s’est souvenu d’Arthur avec un « enseignement » de 4 heures. »Les étudiants et les professeurs ont sélectionné les articles préférés de la liste de 463 publications d’Arthur et ont donné de courts résumés de 5 à 10 minutes. Arthur aurait aimé ça.

ROBERT L. BALDWIN
Département de biochimie, Centre Beckman, Centre médical de Stanford, Stanford, Californie

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