januari 4, 2022

PMC

Arthur Kornberg overleed op 26 oktober 2007. Hij was een van de meest opmerkelijke wetenschappers van onze tijd. Zijn ontdekking van DNA-polymerase I (Bessman et al. 1958; Lehman et al. 1958a) en zijn demonstratie dat het getrouw de basisvolgorde van een template DNA streng kopieert (Lehman et al. 1958b) leidde tot zijn toekenning van de Nobelprijs onmiddellijk in 1959. Eerder was de heersende opvatting dat enzymen functioneren in het sturen van het metabolisme van een cel en in het produceren van de energie die een cel nodig heeft, terwijl de DNA-synthese deel uitmaakt van het mysterie van het leven. In een Cold Spring Harbor Symposium paper over de structuur van DNA (Watson and Crick 1953), de auteurs verklaard, “Het is niet duidelijk voor ons of een speciaal enzym nodig zou zijn om de polymerisatie uit te voeren of dat de bestaande spiraalvormige enkele keten effectief zou kunnen werken als een enzym.”Arthur’ s werk met DNA-polymerase ik veranderde dit alles, het plaatsen van zelfreplicatie van genen op een biochemische voet met energiemetabolisme en het maken van een einde aan vitalisme. Zijn ontdekking lanceerde een nieuwe goudkoorts, die de weg wees toen wetenschappers renden om enzymen zoals RNA-polymerase te vinden, die de opeenvolging van een DNA-streng in RNA kopieert, en beperkingsenzymen, die specifieke DNA-endonucleases bleken te zijn.Arthur werd geboren op 3 maart 1918. Hij kwam uit een Joodse allochtone arbeidersfamilie. Zijn vader had geen formele opleiding, maar kon minstens zes talen spreken. Arthur was vroegrijp en studeerde af aan de Abraham Lincoln High School in New York op de leeftijd van 15. Toen hij op 19-jarige leeftijd afstudeerde aan City College Of New York, behaalde hij de beste wetenschappelijke graad in zijn klas. Op de universiteit werkte hij ‘ s avonds, in het weekend en op feestdagen met de verkoop van mannenkleding, en hij spaarde genoeg om te betalen voor de eerste twee jaar van de medische school aan de Universiteit van Rochester.Arthur heeft zijn verhaal en zijn toevallige deelname aan onderzoekswerk beschreven in een jaarlijkse recensies hoofdstuk (Kornberg 1989a). Als student geneeskunde, was hij geïntrigeerd om symptomen van een milde geelzucht in zichzelf te vinden, die bleek te zijn Gilberts syndroom, een moeilijkheid in het metaboliseren van bilirubine. Zijn artikel over een overzicht van mensen met deze lichte stofwisselingsstoornis werd gelezen door Rolla Dyer, de directeur van de National Institutes of Health (NIH), en dit leidde tot zijn terugroeping naar de NIH van sea duty in de Public Health Service in 1942. Arthur ‘ s eerste onderzoek betrof het zoeken naar ontbrekende voedingsfactoren in een synthetisch dieet gevoerd aan ratten. Hij werd omgezet in het zoeken in plaats daarvan naar enzymen terwijl het doen van postdoctoraal werk in 1946 met Severo Ochoa aan de New York University. Hij werd een gepassioneerd pleitbezorger van het gebruik van enzymen om te deconstrueren hoe cellen werken. Zijn credo was eenvoudig en positief: “als een cel het kan, dan kan een biochemicus het doen en ik kan het doen. Zijn boek over zijn wetenschappelijke carrière werd “For the Love of Enzymes” (Kornberg 1989b) genoemd, en hij schreef richtlijnen voor beginners over de “Tien Geboden” van het gebruik van enzymen om biologische processen te ontleden (Kornberg 2000).

Arthur had een indrukwekkende aanwezigheid; toen hij iets zei, luisterden de mensen. Ik herinner me het verhaal van Arthur die sprak op een hoorzitting van het Congres. Na de hoorzitting was een lid van het Comité verbaasd te horen dat een ander lid zijn stem had gewijzigd en vroeg hem waarom hij dit deed. “Ik wil geen dwaas genoemd worden door Arthur Kornberg” was het antwoord. Dan Koshland, een oude vriend van Arthur, sprak op een evenement dat Arthur had georganiseerd. Hij begon met te zeggen: “Ik zeg nooit ‘nee’ tegen Arthur Kornberg.”Aan de andere kant, Arthur zou je meteen op je gemak in een persoonlijk gesprek. Een vriend merkte op: “hij maakte je het gevoel dat zijn hele aandacht was gericht op jou.”

een van Arthur ‘ s vele opmerkelijke vaardigheden was department building. Hij verliet NIH in 1953 om voorzitter te worden van een nieuwe afdeling microbiologie aan de Washington University, St.Louis, waar hij ooit kort een postdoctorale fellow was met Carl en Gerty Cori. Arthur bewonderde hen zeer (Kornberg 2005), en het vooruitzicht van vernieuwing van het contact was een sterke attractie. Een van zijn eerste belangrijke benoemingen was Melvin Cohn, die enkele jaren aan het Institut Pasteur in Parijs had gewerkt, samen met Jacques Monod aan het ontrafelen van het verhaal van geïnduceerde enzymsynthese in Escherichia coli. Mel had een sterke achtergrond in immunologie van zijn vroege werk met A. M. Pappenheimer Jr., en in St. Louis begon hij een studie van antilichaamsynthese in enkele cellen. De andere leden van de afdeling in St. Louis die later zou verhuizen naar Stanford met Arthur waren Paul Berg en Bob Lehman, die postdoctorale fellows met Arthur, en Dave Hogness en Dale Kaiser, die beide afkomstig waren van het Institut Pasteur.Toen Arthur in 1958 de leerstoel biochemie aan Stanford kreeg aangeboden, zei hij geen ja, maar geen nee. In plaats daarvan antwoordt hij: “Ik moet terug naar St. Louis om mijn collega’ s te raadplegen.”De gelegenheid voor het vormen van een nieuwe Biochemie afdeling was de verhuizing van de Stanford Medical School van San Francisco naar de belangrijkste Stanford campus in de buurt van Palo Alto. Stanford benoemde ook Joshua Lederberg als voorzitter van een nieuwe afdeling genetica; zijn kantoor aan Stanford zou dicht bij Arthur ‘ s. When De afdeling in St.Louis verhuisde naar Stanford in juni 1959, ik sloot me aan bij het als een fysieke biochemicus, afkomstig van de Universiteit van Wisconsin.

de nieuwe wetenschap van de moleculaire biologie kwam pas in 1959 in het leven, en het niveau van opwinding in onze afdeling was intens. Het centrale dogma, DNA maakt RNA maakt eiwitten, werd algemeen aanvaard, maar veel van de biochemische stappen waren mysteries. In St. Louis, Paul Berg was begonnen met een studie van het enzym-aminoacyl adenylaten die tussenpersonen zijn in de synthese van aminoacyl tRNAs (berg 1961), en Paul bleef stappen in eiwitsynthese analyseren. Arthur ‘ s werk aan de enzymatische synthese van DNA had de noodzaak aangetoond om de nucleases van E. coli te karakteriseren, de enzymen die DNA afbreken, en Bob Lehman was met dit werk begonnen in St. Louis. Dave Hogness en Dale Kaiser hadden een studie van bacteriofaag lambda als model voor hoe een klein genoom door zijn levenscyclus gaat ondernomen. Zij ontwikkelden methodes om deze studie op de niveaus van DNA en mRNA te maken. Twee postdoctorale fellows uit Australië, Ross Inman en Gerry Wake, deden mee aan een poging om te testen of het nieuw gesynthetiseerde DNA van Pol I base-paired blijft met zijn template streng, door het gebruik van DNA-smeltkrommen om dubbele helices te onderscheiden die 5-bromouracil in één streng bevatten.Arthur dacht zorgvuldig na over de details van de organisatie van de afdeling en over de inrichting ervan in het leven van de medische school en de universiteit. Zijn plan was om de ideale werkplek te creëren. De onderzoeksgroepen zouden met elkaar samenwerken en niets zou interfereren met het onderzoek, hoewel de afdeling trots was op het onderwijzen van haar populaire cursus in algemene biochemie. Arthur besprak soms met Wallace Sterling, de President van Stanford, zijn ideeën over hoe de medische wetenschap zich zou moeten ontwikkelen op Stanford. Hij nodigde President Sterling twee keer uit voor een informele lunch met de faculteit Biochemie, zodat we hem ook zouden kennen.

hier zijn enkele van de innovaties die Arthur maakte toen het departement in 1959 begon. Studenten en postdoctorale fellows werden gemengd in gemeenschappelijke laboratoria zodat de verschillende onderzoeksgroepen vertrouwd zouden zijn met elkaars onderzoekswerk. Zeldzame enzymen werden gedeeld en belangrijke instrumenten werden voor iedereen beschikbaar gesteld. Onderzoeksbeurzen werden gedeeld. Elk lid van de faculteit werd verwacht in de hoeveelheid geld besteed door zijn groep te brengen, maar strikte boekhouding was niet vereist en er waren geen financiële deadlines. De hele afdeling woonde dinsdag/donderdag middag seminars. Aanvankelijk gaven alleen faculteitsleden en bezoekende wetenschappers lezingen, maar later werden postdoctorale fellows en senior studenten toegevoegd. De afdeling toegelaten slechts vier nieuwe studenten per jaar voor een faculteit van zeven, en aspirant-studenten werden streng gescreend. Veel van de vroege studenten werden bekende wetenschappers. De groepsgrootte werd klein gehouden. Faculteitsleden werkten zelf in het laboratorium en gaven les aan studenten volgens de leerlingenmethode. Faculteitsvergaderingen werden alleen gehouden wanneer er iets belangrijks te beslissen was; Arthur maakte minder beslissingen zelf. Kwesties werden op faculteitsvergaderingen bij consensus besloten; zodra een kwestie was besproken, was er geen reden om te stemmen. Hoe werkte dit in de praktijk? Fabelachtig, volgens postdoctorale fellows die, toen ze nieuwe banen begonnen en vertrokken, weemoedig teruggeroepen hun dagen op Stanford.

van de oorspronkelijke zeven faculteitsleden bleef er maar één over. In 1959 voelde ik spanning tussen Arthur en Mel Cohn over hoe biologische problemen aan te pakken. Mel sprak enthousiast over Gestaltbiologie, de opvatting dat men een biologisch probleem niet kan begrijpen door het in delen te ontleden. Arthur pleitte voor het gebruik van chemie, in het bijzonder enzymen, als het basisinstrument voor het oplossen van biologische problemen. In 1962 verliet Mel Cohn Stanford voor het nieuw gevormde Salk Institute en in 1963-64 sloten Lubert Stryer en George Stark zich aan bij onze afdeling. Ze deden al snel innovatieve experimenten, met name het ontwikkelen van nieuwe methoden die brede aandacht trokken. Luberts experimenten met fluorescentie – energieoverdracht (stryer en Haugland 1967) leidden tot de ontwikkeling van FRET (fluorescentie resonantie-energieoverdracht) als een belangrijk biofysisch instrument. George ontwikkelde veel gebruikte methoden voor het analyseren van transcriptie-en vertaalexperimenten op papier: de noordelijke methode (Alwine et al. 1977) voor mRNAs en de westerse methode (Renart et al. 1979) voor eiwitten. Hoewel Lubert en George uiteindelijk onze afdeling verlieten, behielden ze nauwe banden. In 1971, Ron Davis toegetreden tot de afdeling en, net als de oorspronkelijke zes faculteit, nooit verlaten Stanford. Ron bracht elektronenmicroscopie van DNA met zich mee, een krachtig instrument dat al snel op grote schaal werd gebruikt in de afdeling.De vroege Stanford Biochemistry Department was een gemeenschap waar iedereen de ontdekkingen van anderen deelde en zich verheugde. In 1959 kwam de hele afdeling één avond per maand bij Arthur thuis om te luisteren naar de laatste bevindingen van één onderzoeksgroep. Binnen een paar jaar konden we niet allemaal in Arthur ‘ s woonkamer passen en we probeerden elkaar te ontmoeten in een kamer op de Stanford campus, maar de sfeer was niet hetzelfde. Vervolgens, in 1972, begonnen we twee keer per jaar bijeenkomsten in Asilomar, die een paar dagen duurden, waarop alle onderzoeksgroepen verslag deden. In die tijd was er altijd minstens één verrassende ontdekking bij elke bijeenkomst.

in 1970 waren oplossingen voor de belangrijkste problemen van hoe DNA maakt RNA maakt eiwitten duidelijk, althans in grote lijnen, en onze faculteitsleden waren op weg naar nieuwe problemen. Arthur had ontdekt dat DNA-replicatie een multi-enzymprobleem is, zelfs in eenvoudige virale systemen, en hij begon de gedetailleerde enzymatische mechanismen van DNA-replicatie uit te werken, eerst van fagen M13 en φx174, dan van E. coli zelf. Paul Berg ondernam de studie van dierlijke virussen en al snel was betrokken bij problemen van recombinant-DNA. Bob Lehman begon genetische recombinatie op DNA-niveau te bestuderen, met behulp van zowel enzymatische als genetische hulpmiddelen. Dave Hogness ondernam de analyse van de ontwikkeling in Drosophila op de DNA-en mRNA-niveaus door ontwikkelingsmutanten te bestuderen die monsters met extra benen of vleugels maken. Dale Kaiser koos een bacterieel systeem, Myxococcus, om een genetische analyse van de ontwikkeling in een prokaryotic systeem uit te werken. Zelfs Arthur testte het water van het onderzoeken van ontwikkeling op enzymatisch niveau door bacteriële sporen als mogelijk modelsysteem te gebruiken. Echter, zijn DNA replicatie werk duwde sporen opzij. Ik begon een zoektocht naar structurele tussenproducten in eiwitvouwen en het mechanisme van vouwen.Een dramatisch moment kwam in 1969 toen John Cairns aankondigde dat hij en zijn assistent een levensvatbare mutant van E. coli hadden gevonden die geen detecteerbare activiteit van het enzym DNA-polymerase I had (de Lucia and Cairns 1969). Een zoektocht naar andere polymerasen van DNA volgde snel. Verbazingwekkend genoeg was het Arthur ‘ s zoon, Tom, die samenwerkte met Malcolm Gefter in Columbia, die eerst DNA-polymerase II vond en daarna DNA-polymerase III, het enzym dat het E. coli-chromosoom repliceert. Het verhaal wordt samengevat door Arthur in zijn wetenschappelijke memoires (Kornberg 1989a). Tom was een muziekstudent aan Juilliard met een veelbelovende carrière als cellist voor hem. Toen de mutant van Cairns bekend werd, had Tom een blessure aan zijn hand opgelopen die zijn cello-spel verstoorde. Zonder formele opleiding in biochemie ging Tom naar Gefter ‘ s laboratorium en slaagde daar waar anderen weinig geluk hadden. Een ander dramatisch moment kwam in 2006 toen Arthur ‘ s oudste zoon, Roger, ontving de Nobelprijs voor de Scheikunde voor zijn werk op de moleculaire basis van eukaryotische transcriptie (Kornberg 2007). Arthur ‘ s derde zoon, Ken, is een architect die bekend staat om zijn ontwerpen van wetenschappelijke laboratoria.

hier zijn twee voorbeelden van onderzoek dat van start ging als gevolg van Arthur ‘ s beleid van het mengen van onderzoeksgroepen in gemeenschappelijke laboratoria. In 1968 deelde Immo Scheffler, een student in mijn groep die DNA helix–spoel transities analyseerde in haarspeld helices, een lab met Toto Olivera, een postdoctorale fellow in Bob Lehman ‘ s groep die de enzymatische eigenschappen van E. coli DNA ligase onderzocht. Toto en Immo vonden dat ligase d(TA)n oligoncleotiden zal sluiten in enkelstrengige cirkelmoleculen (Olivera et al. 1968) als ze groot genoeg zijn (n = 16 of groter). Vervolgens vonden Immo en Elliot Elson, die met Immo werkte aan de analyse van de haarspeldsmeltkrommen, dat ze de circulaire oligonucleotiden konden gebruiken, die dubbele haarspeldschroeven maken met een vierbasislijn aan elk uiteinde, om gedetailleerde informatie te verkrijgen over de rol van kleine lussen in DNA-smelten (Scheffler et al. 1970). Een tweede voorbeeld wordt gegeven door Doug Vollrath, een student in de groep van Ron Davis die in 1986 een laboratorium deelde met Gil Chu, een postdoctorale fellow in de groep van Paul Berg. Gil heeft een Ph. D. in de natuurkunde van het Massachusetts Institute of Technology. Doug probeerde beter opgeloste agarose-gelpatronen voor gigantische DNA-moleculen te verkrijgen door gebruik te maken van de nieuwe techniek van het toepassen van een afwisselend elektrisch veld, dat gebruik maakt van de sterke afhankelijkheid van de DNA-heroriëntatietijd op moleculair gewicht. Gil besefte dat hij het probleem van het krijgen van rechte, regelmatige DNA-banden die goed worden opgelost door het oplossen van vergelijkingen uit de basale elektrische theorie. Zijn oplossing vereist meerdere elektroden waarvan de spanningen individueel kunnen worden geregeld. Het resultaat was prachtig opgelost DNA band patronen (Chu et al. 1986).Als voorbeeld van hoe het beleid van het delen van enzymen werkte, herinnert Dale Kaiser aan Arthur ’s gift in 1965 van twee gezuiverde enzymen die het werk mogelijk maakten van Dale’ s laboratorium op de cohesieve uiteinden van faag lambda DNA (Strack and Kaiser 1965). De twee enzymen waren E. coli exo III, die de bundels van DNA van het 3′ eind afbreekt, en E. coli DNA Pol I, die de basisopeenvolging van een malplaatje bundel kopieert door DNA aan het 3′ eind van een inleidings bundel samen te stellen. De hoge specificiteiten van de twee enzymen zijn belangrijk bij het interpreteren van de resultaten. Strack en Kaiser hadden een infectiviteitstest beschikbaar die de capaciteit van gezuiverd lambda-DNA meet om faag in E. coli te produceren wanneer de inactieve helperfaag ook wordt toegevoegd. Het was bekend dat gezuiverd lambda DNA cohesieve sites heeft (Hershey et al. 1963) die functioneren in het vormen van DNA dimeren en trimers. Strack en Kaiser stelden vast dat zowel exo III als Pol I lambda-DNA, zoals getest met de infectivity assay, inactiveren en dat de innerlijke genetische markers na een enzymbehandeling met dezelfde snelheid als de buitenste markers verloren gaan, wat erop wijst dat elk van de twee enzymen lambda-DNA inactiveert in een alles-of-geen-proces. Hun resultaten passen in een model waarin bungelende enkelstrengige uiteinden uitsteken aan elk uiteinde van dubbelstrengs lambda-DNA en zorgen voor de samenhangende plaatsen die Hershey en collega ‘ s (1963) hebben gevonden. Exo III degradeert progressief van het 3 ‘eind terwijl pol I het bungelende 5′ eind als malplaatje gebruikt om het 3’ eind uit te breiden tot slechts double-stranded DNA blijft, dat lambda DNA van circularizing verhindert.In 1990, op 72-jarige leeftijd, startte Arthur een nieuw onderzoeksgebied, de enzymatische synthese en degradatie van polyfosfaat, waarbij de biologische functies van polyfosfaat werden onderzocht. Arthur en zijn overleden vrouw Sylvy hadden in 1956 polyfosfaatsynthese in E. coli ontdekt (Kornberg et al. 1956). Polyfosfaat bevat hoog-energetische fosfaatbindingen en kan worden gebruikt om ATP van AMP te maken. Aldus, is polyfosfaat een opslagvorm van reserveenergie voor bacteriële cellen en kan worden verwacht om een essentiële rol in de levenscyclus van bacteriën te spelen. Arthur vond tal van gevallen waarin dit waar is (Kornberg 1999). In het bijzonder, in pathogene bacteriën wordt het polyfosfaatmetabolisme algemeen vereist voor virulentie.Arthur was trots op de wetenschappelijke prestaties van alle onderzoeksgroepen in onze afdeling, en hij had een persoonlijke interesse in iedereen die doorging. Veel van de afgestudeerden zijn zich scherp bewust van Arthur ‘ s rol in het maken van de afdeling een geweldige plek om onderzoek te doen. Van mijn kant Weet ik diep van binnen dat het de Stanford omgeving was die eersteklas mensen naar mijn groep trok, en het was Arthur die voornamelijk verantwoordelijk was.Toen Arthur in oktober overleed aan ademhalingsproblemen, was hij 89 jaar oud en was hij ongeveer een week ziek geweest. Eerder leidde hij actief onderzoek naar polyfosfaat. De Stanford Biochemie afdeling herinnerde Arthur met een 4-uur “teach-in.”Studenten en faculteiten selecteerden favoriete papers uit Arthur’ s lijst van 463 publicaties en gaven korte samenvattingen van 5 tot 10 minuten. Arthur zou dat leuk gevonden hebben.

ROBERT L. BALDWIN
Biochemistry Department, Beckman Center, Stanford Medical Center, Stanford, CA

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.