Gennaio 4, 2022

PMC

Arthur Kornberg è morto il 26 ottobre 2007. Era uno degli scienziati più notevoli del nostro tempo. La sua scoperta della DNA polimerasi I (Bessman et al. 1958; Lehman et al. 1958a) e la sua dimostrazione che copia fedelmente la sequenza di base di un filamento di DNA modello (Lehman et al. 1958b) ha portato al suo essere assegnato il premio Nobel immediatamente nel 1959. In precedenza, la visione prevalente era che gli enzimi funzionano nel dirigere il metabolismo di una cellula e nel produrre l’energia di cui una cellula ha bisogno, mentre la sintesi del DNA fa parte del mistero della vita. In un documento di Cold Spring Harbor Symposium sulla struttura del DNA (Watson e Crick 1953), gli autori hanno dichiarato: “Non è ovvio per noi se sarebbe necessario un enzima speciale per eseguire la polimerizzazione o se la singola catena elicoidale esistente potrebbe agire efficacemente come un enzima.”Il lavoro di Arthur con la DNA polimerasi Ho cambiato tutto questo, ponendo l’auto-replicazione dei geni su un piano biochimico uguale al metabolismo energetico e ponendo fine al vitalismo. La sua scoperta ha lanciato una nuova corsa all’oro, indicando la strada come gli scienziati hanno corso per trovare enzimi come RNA polimerasi, che copia la sequenza di un filamento di DNA in RNA, e enzimi di restrizione, che si è rivelato essere endonucleasi DNA specifici.

Arthur è nato il 3 marzo 1918. Proveniva da una famiglia operaia immigrata ebrea. Suo padre non aveva un’istruzione formale, ma poteva parlare almeno sei lingue. Arthur era precoce e si diplomò alla Abraham Lincoln High School di New York all’età di 15 anni. Quando si è laureato al City College di New York all’età di 19 anni, ha ricevuto la migliore laurea in scienze nella sua classe. Al college, ha lavorato la sera, fine settimana, e le vacanze di vendita di abbigliamento maschile, e ha risparmiato abbastanza per pagare per i primi due anni di scuola di medicina presso l ” Università di Rochester.

Arthur ha descritto la sua storia e il suo ingresso accidentale nel lavoro di ricerca in un capitolo annuale di recensioni (Kornberg 1989a). Come studente di medicina, fu incuriosito nel trovare i sintomi di un lieve ittero in se stesso, che si rivelò essere la sindrome di Gilberts, una difficoltà nel metabolizzare la bilirubina. Il suo articolo che descrive un sondaggio di persone con questo leggero disturbo metabolico è stato letto da Rolla Dyer, il direttore del National Institutes of Health (NIH), e questo ha portato al suo essere richiamato al NIH dal servizio marittimo nel Servizio sanitario pubblico nel 1942. La prima ricerca di Arthur ha coinvolto la ricerca di fattori nutrizionali mancanti in una dieta sintetica alimentata ai ratti. Egli è stato convertito alla ricerca invece di enzimi mentre facendo post-dottorato di lavoro nel 1946 con Severo Ochoa presso la New York University. Divenne un appassionato sostenitore dell’uso di enzimi per decostruire come funzionano le cellule. Il suo credo era semplice e positivo: “Se una cellula può farlo, allora un biochimico può farlo e io posso farlo.”Il suo libro sulla sua carriera scientifica è stato chiamato” For the Love of Enzymes “(Kornberg 1989b), e ha scritto linee guida per principianti sui” Dieci comandamenti ” dell’uso degli enzimi per sezionare i processi biologici (Kornberg 2000).

Arthur aveva una presenza dominante; quando ha detto qualcosa, la gente ha ascoltato. Ricordo la storia di Arthur che parlava ad un’audizione al Congresso. Dopo l’audizione, un membro della commissione è stato sorpreso di apprendere che un altro membro aveva cambiato il suo voto e gli ha chiesto perché lo ha fatto. “Non voglio essere chiamato un pazzo da Arthur Kornberg” fu la risposta. Dan Koshland, un amico di lunga data di Arthur, stava parlando ad un evento Arthur aveva organizzato. Ha iniziato dicendo ” Non dico mai ‘no’ ad Arthur Kornberg.”D’altra parte, Arthur ti metterebbe immediatamente a tuo agio in una conversazione personale. Un amico osservò: “Ti ha fatto sentire tutta la sua attenzione era focalizzata su di te.”

Una delle molte abilità notevoli di Arthur era la costruzione del dipartimento. Ha lasciato NIH nel 1953 per diventare presidente di un nuovo dipartimento di Microbiologia presso la Washington University, St. Louis, dove una volta era brevemente un post-dottorato fellow con Carl e Gerty Cori. Arthur li ammirava molto (Kornberg 2005), e la prospettiva di rinnovare il contatto era una forte attrazione. Uno dei suoi primi importanti incarichi fu Melvin Cohn, che aveva trascorso diversi anni presso l’Institut Pasteur di Parigi, lavorando con Jacques Monod per districare la storia della sintesi enzimatica indotta in Escherichia coli. Mel aveva un forte background in immunologia dai suoi primi lavori con A. M. Pappenheimer Jr., e a St. Louis ha iniziato uno studio di sintesi di anticorpi in singole cellule. Gli altri membri del dipartimento di St. Louis che in seguito si sarebbe trasferito a Stanford con Arthur erano Paul Berg e Bob Lehman, che erano stati borsisti post-dottorato con Arthur, e Dave Hogness e Dale Kaiser, che entrambi provenivano dall’Institut Pasteur.

Quando ad Arthur fu offerta la cattedra di Biochimica a Stanford nel 1958, non disse di sì ma non disse di no. Invece, ha risposto, ” Devo tornare a St. Louis per consultare i miei colleghi.”L’occasione per formare un nuovo dipartimento di biochimica è stato lo spostamento della Stanford Medical School da San Francisco al campus principale di Stanford vicino a Palo Alto. Stanford ha anche nominato Joshua Lederberg come presidente di un nuovo dipartimento di genetica; il suo ufficio a Stanford sarebbe vicino a Arthur. Quando il dipartimento di St. Louis si trasferì a Stanford nel giugno 1959, mi sono unito come biochimico fisico, proveniente dall’Università del Wisconsin.

La nuova scienza della biologia molecolare stava appena entrando in esistenza nel 1959, e il livello di eccitazione nel nostro dipartimento era intenso. Il dogma centrale, DNA rende RNA rende proteine, è stato ampiamente accettato, ma molti dei passaggi biochimici erano misteri. A St. Louis, Paul Berg aveva iniziato uno studio dell’enzima-aminoacil adenilati che sono intermedi nella sintesi di aminoacil tRNA (Berg 1961), e Paul ha continuato ad analizzare i passaggi nella sintesi proteica. Il lavoro di Arthur sulla sintesi enzimatica del DNA aveva mostrato la necessità di caratterizzare le nucleasi di E. coli, gli enzimi che degradano il DNA, e Bob Lehman aveva iniziato questo lavoro a St. Louis. Dave Hogness e Dale Kaiser avevano intrapreso uno studio di batteriofagi lambda come modello per come un piccolo genoma passa attraverso il suo ciclo di vita. Stavano sviluppando metodi per fare questo studio a livello di DNA e mRNA. Due borsisti postdottorato dall ” Australia, Ross Inman e Gerry Wake, si sono uniti a me nel tentativo di verificare se il DNA di nuova sintesi fatta da Pol I rimane base-accoppiato con il suo filamento modello, utilizzando curve di fusione del DNA per distinguere doppie eliche che contengono 5-bromouracile in un filamento.

Arthur pensò attentamente ai dettagli dell’organizzazione del dipartimento e alla sua sistemazione nella vita della scuola di medicina e dell’università. Il suo piano era quello di creare il posto di lavoro ideale. I gruppi di ricerca avrebbero collaborato tra loro e nulla avrebbe interferito con la ricerca, anche se il dipartimento era orgoglioso dell’insegnamento del suo corso popolare in biochimica generale. Arthur a volte discusso con Wallace Sterling, il presidente di Stanford, le sue idee su come la scienza medica dovrebbe svilupparsi a Stanford. Ha invitato due volte il presidente Sterling a un pranzo informale con la facoltà di Biochimica in modo che lo conoscessimo anche noi.

Ecco alcune delle innovazioni che Arthur fece quando il dipartimento iniziò nel 1959. Studenti e borsisti post-dottorato sono stati mescolati insieme in laboratori comuni in modo che i diversi gruppi di ricerca avrebbero familiarità con il lavoro di ricerca di ogni altro. Gli enzimi rari sono stati condivisi e gli strumenti principali sono stati messi a disposizione di tutti. Le borse di ricerca sono state condivise. Ogni membro della facoltà doveva portare la quantità di denaro speso dal suo gruppo, ma non era richiesta una contabilità rigorosa e non c’erano scadenze finanziarie. L’intero dipartimento ha partecipato Martedì / Giovedi mezzogiorno seminari. All’inizio, solo i membri della facoltà e gli scienziati in visita hanno tenuto discorsi, ma in seguito sono stati aggiunti borsisti post-dottorato e studenti senior. Il dipartimento ha ammesso solo quattro nuovi studenti ogni anno per una facoltà di sette, e potenziali studenti sono stati proiettati rigorosamente. Molti dei primi studenti divennero noti scienziati. Le dimensioni del gruppo sono state mantenute piccole. I membri della facoltà lavoravano in laboratorio e insegnavano agli studenti con il metodo dell’apprendista. Le riunioni di facoltà si sono svolte solo quando c’era qualcosa di importante da decidere; Arthur ha preso decisioni minori se stesso. Le questioni sono state decise alle riunioni della facoltà per consenso; una volta che un problema era stato discusso, non c’era bisogno di votare. Come ha funzionato tutto questo nella pratica? Favolosamente, secondo i borsisti post-dottorato che, quando hanno iniziato nuovi lavori e se ne sono andati, hanno ricordato malinconicamente i loro giorni a Stanford.

Dei sette membri originali della facoltà, solo uno è mai rimasto. Nel 1959, ho potuto sentire la tensione tra Arthur e Mel Cohn su come affrontare i problemi biologici. Mel ha parlato con entusiasmo della biologia della Gestalt, la visione che non si può capire un problema biologico sezionandolo in parti. Arthur sosteneva l’uso della chimica, in particolare degli enzimi, come strumento di base per risolvere problemi biologici. Nel 1962, Mel Cohn lasciò Stanford per il neonato Salk Institute, e nel 1963-64, Lubert Stryer e George Stark si unirono al nostro dipartimento. Ben presto stavano facendo esperimenti innovativi, specialmente sviluppando nuovi metodi che attirarono un’ampia attenzione. Gli esperimenti di Lubert sul trasferimento di energia in fluorescenza (Stryer e Haugland 1967) hanno portato allo sviluppo del FRET (fluorescence resonance energy transfer) come uno strumento biofisico importante. George ha sviluppato metodi ampiamente utilizzati per analizzare esperimenti di trascrizione e traduzione su carta: il metodo del Nord (Alwine et al. 1977) per MRNA e il metodo occidentale (Renart et al. 1979) per le proteine. Anche se sia Lubert che George alla fine lasciarono il nostro dipartimento, mantennero stretti legami. Nel 1971, Ron Davis si unì al dipartimento e, come l’originale six faculty, non lasciò mai Stanford. Ron ha portato con sé la microscopia elettronica del DNA, un potente strumento che presto è stato ampiamente utilizzato nel reparto.

Il primo Dipartimento di biochimica di Stanford era una comunità in cui tutti condividevano e gioivano delle scoperte fatte da altri. Nel 1959, l’intero dipartimento si riuniva a casa di Arthur una sera al mese per ascoltare le ultime scoperte di un gruppo di ricerca. Nel giro di pochi anni, non siamo riusciti tutti in forma in salotto di Arthur e abbiamo cercato di incontro in una stanza del campus di Stanford, ma l’atmosfera non era la stessa. Poi, nel 1972, iniziammo due volte l’anno ad Asilomar delle adunanze, della durata di alcuni giorni, alle quali tutti i gruppi di ricerca riferirono. In quei giorni, c’era sempre almeno una scoperta sorprendente ad ogni incontro.

Nel 1970, le soluzioni ai principali problemi di come il DNA produce l’RNA produce proteine erano chiare almeno in linea di massima, e i nostri membri della facoltà stavano passando a nuovi problemi. Arthur aveva scoperto che la replicazione del DNA è un problema multienzimatico anche in semplici sistemi virali, e ha iniziato a elaborare i meccanismi enzimatici dettagliati della replicazione del DNA, prima dei fagi M13 e φx174, poi di E. coli stesso. Paul Berg ha intrapreso lo studio dei virus animali e presto è stato coinvolto con problemi di DNA ricombinante. Bob Lehman ha iniziato a studiare la ricombinazione genetica a livello di DNA, utilizzando sia strumenti enzimatici che genetici. Dave Hogness ha intrapreso l’analisi dello sviluppo nella Drosophila a livello di DNA e mRNA studiando mutanti dello sviluppo che creano mostri con gambe o ali extra. Dale Kaiser ha scelto un sistema batterico, il mixococco, per elaborare un’analisi genetica dello sviluppo in un sistema procariotico. Anche Arthur testato le acque di indagare lo sviluppo a livello enzimatico utilizzando spore batteriche come un possibile sistema modello. Tuttavia, il suo lavoro di replicazione del DNA ha spinto le spore da parte. Ho iniziato una ricerca di intermedi strutturali nel folding proteico e nel meccanismo di folding.

Un momento drammatico arrivò nel 1969 quando John Cairns annunciò che lui e il suo assistente avevano trovato un mutante vitale di E. coli che mancava di attività rilevabile dell’enzima DNA polimerasi I (De Lucia e Cairns 1969). Presto seguì una ricerca di altre DNA polimerasi. Sorprendentemente, è stato il figlio di Arthur, Tom, lavorando con Malcolm Gefter alla Columbia, che ha trovato prima la DNA polimerasi II e poi la DNA polimerasi III, l’enzima che replica il cromosoma di E. coli. La storia è riassunta da Arthur nel suo libro di memorie scientifiche (Kornberg 1989a). Tom era uno studente di musica alla Juilliard con una promettente carriera come violoncellista davanti a lui. Nel momento in cui il mutante di Cairns divenne di dominio pubblico, Tom aveva subito un infortunio alla mano che interferiva con il suo violoncello. Senza una formazione formale in biochimica, Tom si unì al laboratorio di Gefter e riuscì dove altri stavano avendo poca fortuna. Un altro momento drammatico è arrivato nel 2006 quando il figlio maggiore di Arthur, Roger, ha ricevuto il premio Nobel per la chimica per il suo lavoro sulla base molecolare della trascrizione eucariotica (Kornberg 2007). Il terzo figlio di Arthur, Ken, è un architetto noto per i suoi progetti di laboratori scientifici.

Ecco due esempi di ricerche decollate a causa della politica di Arthur di mescolare gruppi di ricerca in laboratori comuni. Nel 1968, Immo Scheffler, uno studente del mio gruppo che stava analizzando le transizioni di elica–bobina del DNA nelle eliche a forcina, ha condiviso un laboratorio con Toto Olivera, un collega post-dottorato nel gruppo di Bob Lehman che stava esaminando le proprietà enzimatiche della ligasi del DNA di E. coli. Toto e Immo hanno scoperto che la ligasi chiuderà gli oligoncleotidi d(TA)n in molecole circolari a singolo filamento (Olivera et al. 1968) se sono abbastanza grandi (n = 16 o superiore). Poi, Immo e Elliot Elson, che stava lavorando con Immo sull’analisi delle curve di fusione dei tornanti, hanno scoperto che potevano usare gli oligonucleotidi circolari, che rendono doppie eliche dei tornanti con un anello a quattro basi a ciascuna estremità, per ottenere informazioni dettagliate sul ruolo dei piccoli anelli nella fusione del DNA (Scheffler et al. 1970). Un secondo esempio è fornito da Doug Vollrath, uno studente del gruppo di Ron Davis che nel 1986 ha condiviso un laboratorio con Gil Chu, un post-dottorato nel gruppo di Paul Berg. Gil ha un dottorato di ricerca in fisica presso il Massachusetts Institute of Technology. Doug stava cercando di ottenere modelli di gel di agarosio meglio risolti per molecole di DNA giganti utilizzando la nuova tecnica di applicare un campo elettrico alternato, che sfrutta la forte dipendenza del tempo di riorientamento del DNA sul peso molecolare. Gil si rese conto che poteva affrontare il problema di ottenere dritto, bande di DNA regolari che sono ben risolti risolvendo equazioni dalla teoria elettrica di base. La sua soluzione richiede più elettrodi le cui tensioni possono essere controllate individualmente. Il risultato è stato splendidamente risolto modelli di banda di DNA (Chu et al. 1986).

Come esempio di come funzionava la politica di condivisione degli enzimi, Dale Kaiser ricorda il dono di Arthur nel 1965 di due enzimi purificati che rendevano possibile il lavoro del laboratorio di Dale sulle estremità coesive del DNA lambda dei fagi (Strack e Kaiser 1965). I due enzimi erano E. coli exo III, che degrada i filamenti di DNA dall’estremità 3′, e E. coli DNA Pol I, che copia la sequenza di base di un filamento di modello sintetizzando il DNA all’estremità 3′ di un filo di primer. Le elevate specificità dei due enzimi sono importanti nell’interpretazione dei risultati. Strack e Kaiser avevano a disposizione un test di infettività che misura la capacità del DNA lambda purificato di produrre fago in E. coli quando viene aggiunto anche fago helper inattivo. Era noto che il DNA lambda purificato ha siti coesivi (Hershey et al. 1963) che funzionano nella formazione di dimeri e trimeri di DNA. Strack e Kaiser hanno scoperto che sia exo III che Pol I inattivano il DNA lambda, come testato dal test di infettività, e che i marcatori genetici interni vengono persi dopo il trattamento enzimatico alla stessa velocità dei marcatori esterni, indicando che ciascuno dei due enzimi inattiva il DNA lambda in un processo tutto o nessuno. I loro risultati si adattano a un modello in cui le estremità a filo singolo penzolanti sporgono a ciascuna estremità del DNA lambda a doppio filamento e forniscono i siti coesivi trovati da Hershey e colleghi (1963). Exo III degrada progressivamente dall’estremità 3 ‘mentre pol I utilizza l’estremità 5’ penzolante come modello per estendere l’estremità 3 ‘ fino a quando rimane solo il DNA a doppio filamento, che impedisce al DNA lambda di circolarizzare.

Nel 1990, all’età di 72 anni, Arthur ha iniziato un nuovo campo di ricerca, la sintesi enzimatica e la degradazione del polifosfato, che ha coinvolto lo studio delle funzioni biologiche del polifosfato. Arthur e la sua defunta moglie, Sylvy, avevano scoperto la sintesi di polifosfati in E. coli nel 1956 (Kornberg et al. 1956). Polifosfato contiene legami fosfato ad alta energia e può essere utilizzato per fare ATP da AMP. Pertanto, il polifosfato è una forma di accumulo di energia di riserva per le cellule batteriche e ci si può aspettare che svolga un ruolo vitale nel ciclo di vita dei batteri. Arthur ha trovato numerosi casi in cui questo è vero (Kornberg 1999). In particolare, nei batteri patogeni il metabolismo del polifosfato è comunemente richiesto per la virulenza.

Arthur era orgoglioso dei risultati scientifici di tutti i gruppi di ricerca nel nostro dipartimento, e si interessava personalmente a tutti coloro che passavano. Molti dei laureati sono profondamente consapevoli del ruolo di Arthur nel rendere il dipartimento un luogo ideale per fare ricerca. Da parte mia, so che in fondo era l’ambiente di Stanford che attirava persone di prim’ordine nel mio gruppo, ed era Arthur che era principalmente responsabile.

Quando Arthur morì di insufficienza respiratoria in ottobre, aveva 89 anni ed era malato da circa una settimana. In precedenza, stava dirigendo attivamente la ricerca sul polifosfato. Il dipartimento di biochimica di Stanford ricordato Arthur con un 4 ore “teach-in.”Studenti e docenti selezionati documenti preferiti dalla lista di Arthur di 463 pubblicazioni e ha dato brevi riassunti da 5 a 10 minuti. Ad Arthur sarebbe piaciuto.

ROBERT L. BALDWIN
Dipartimento di biochimica, Beckman Center, Stanford Medical Center, Stanford, CA

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato.