januari 4, 2022

PMC

Arthur Kornberg dog den 26 oktober 2007. Han var en av de mest anmärkningsvärda forskarna i vår tid. Hans upptäckt av DNA-polymeras I (Bessman et al. 1958; Lehman et al. 1958a) och hans demonstration att den troget kopierar bassekvensen för en mall-DNA-sträng (Lehman et al. 1958b) ledde till att han tilldelades Nobelpriset omedelbart 1959. Tidigare var den rådande uppfattningen att enzymer fungerar för att styra en Cells ämnesomsättning och producera den energi en cell behöver, medan DNA-syntes är en del av livets mysterium. I ett Cold Spring Harbor Symposium-papper om DNA-strukturen (Watson och Crick 1953) uttalade författarna: ”Det är inte uppenbart för oss om ett speciellt enzym skulle krävas för att utföra polymerisationen eller om den befintliga spiralformade enkelkedjan effektivt kunde fungera som ett enzym.”Arthurs arbete med DNA-polymeras jag förändrade allt detta, placerade självreplikation av gener på lika biokemisk grund med energimetabolism och satte stopp för vitalismen. Hans upptäckt lanserade en ny guldrush och pekade vägen när forskare tävlade för att hitta enzymer som RNA-polymeras, som kopierar sekvensen av en DNA-sträng till RNA och restriktionsenzymer, som visade sig vara specifika DNA-endonukleaser.

Arthur föddes den 3 mars 1918. Han kom från en judisk invandrarfamilj. Hans far hade ingen formell utbildning men kunde tala minst sex språk. Arthur var äldre och tog examen från Abraham Lincoln High School i New York vid 15 års ålder. När han tog examen från City College of New York vid 19 års ålder fick han den bästa vetenskapliga examen i sin klass. På college arbetade han kvällar, helger och helgdagar som säljer herrkläder, och han sparade tillräckligt för att betala för de första två åren av läkarskolan vid University of Rochester.

Arthur har beskrivit sin berättelse och hans oavsiktliga inträde i forskningsarbete i ett årligt Granskningskapitel (Kornberg 1989a). Som medicinstudent var han fascinerad av att hitta symtom på en mild gulsot i sig själv, vilket visade sig vara Gilberts syndrom, en svårighet att metabolisera bilirubin. Hans papper som beskriver en undersökning av personer med denna lilla metaboliska störning lästes av Rolla Dyer, chef för National Institutes of Health (NIH), och detta ledde till att han återkallades till NIH från sea duty i folkhälsovården 1942. Arthurs första forskning innebar att man letade efter saknade näringsfaktorer i en syntetisk diet som matades till råttor. Han omvandlades till att istället söka efter enzymer medan han gjorde postdoktoralt arbete 1946 med Severo Ochoa vid New York University. Han blev en passionerad förespråkare för att använda enzymer för att dekonstruera hur celler fungerar. Hans trosbekännelse var enkel och positiv: ”om en cell kan göra det, kan en biokemist göra det och jag kan göra det.”Hans bok om hans vetenskapliga karriär fick namnet” för enzymernas kärlek ”(Kornberg 1989b), och han skrev riktlinjer för nybörjare om de” tio budorden ” att använda enzymer för att dissekera biologiska processer (Kornberg 2000).

Arthur hade en befallande närvaro; när han sa något lyssnade folk. Jag minns historien om Arthur som talade vid en kongressförhandling. Efter utfrågningen blev en utskottsmedlem förvånad över att få veta att en annan ledamot hade ändrat sin röst och frågade honom varför han gjorde det. ”Jag vill inte bli kallad en dåre av Arthur Kornberg” var svaret. Dan Koshland, en långvarig vän till Arthur, talade vid ett evenemang som Arthur hade organiserat. Han började med att säga ”Jag säger aldrig” nej ” till Arthur Kornberg.”Å andra sidan skulle Arthur sätta dig omedelbart lugn i en personlig konversation. En vän påpekade, ” han fick dig att känna att hela hans uppmärksamhet var fokuserad på dig.”

en av Arthurs många anmärkningsvärda förmågor var avdelningsbyggnad. Han lämnade NIH 1953 för att bli ordförande för en ny avdelning för mikrobiologi vid Washington University, St.Louis, där han en gång kort var postdoktor med Carl och Gerty Cori. Arthur beundrade dem mycket (Kornberg 2005), och utsikterna att förnya kontakten var en stark attraktion. En av hans första stora möten var Melvin Cohn, som hade tillbringat flera år vid Institut Pasteur, Paris, som arbetade med Jacques Monod för att lösa upp historien om inducerad enzymsyntes i Escherichia coli. Mel hade en stark bakgrund inom immunologi från sitt tidiga arbete med A. M. Pappenheimer Jr., och i St. Louis började han en studie av antikroppssyntes i enskilda celler. De andra medlemmarna i avdelningen i St. Louis som senare skulle flytta till Stanford med Arthur var Paul Berg och Bob Lehman, som hade varit postdoktorer med Arthur, och Dave Hogness och Dale Kaiser, som båda kom från Institut Pasteur.

när Arthur erbjöds ordförande för biokemi vid Stanford 1958 sa han inte Ja men han sa inte nej. Istället svarade han: ”Jag måste återvända till St.Louis för att konsultera mina kollegor.”Anledningen till att bilda en ny Biokemiavdelning var flytten av Stanford Medical School Från San Francisco till Stanford campus nära Palo Alto. Stanford utsåg också Joshua Lederberg som ordförande för en ny Genetikavdelning; hans kontor i Stanford skulle vara nära Arthur ’ s. när avdelningen vid St.Louis flyttade till Stanford i juni 1959 gick jag med i den som en fysisk biokemist, som kom från University of Wisconsin.

den nya vetenskapen om molekylärbiologi kom just till 1959, och spänningsnivån i vår avdelning var intensiv. Den centrala dogmen, DNA gör RNA gör proteiner, var allmänt accepterad, men många av de biokemiska stegen var mysterier. I St. Louis, Paul Berg hade påbörjat en studie av enzymet-aminoacyladenylater som är mellanprodukter i syntesen av aminoacyl-tRNA (Berg 1961), och Paul fortsatte att analysera steg i proteinsyntesen. Arthurs arbete med den enzymatiska syntesen av DNA hade visat nödvändigheten av att karakterisera nukleaserna av E. coli, enzymerna som bryter ned DNA, och Bob Lehman hade börjat detta arbete i St.Louis. Dave Hogness och Dale Kaiser hade genomfört en studie av bakteriofag lambda som en modell för hur ett litet genom går igenom sin livscykel. De utvecklade metoder för att göra denna studie på DNA-och mRNA-nivåerna. Två postdoktorer från Australien, Ross Inman och Gerry Wake, gick med mig i ett försök att testa om det nyligen syntetiserade DNA som gjorts av Pol i förblir basparat med sin Mallsträng, genom att använda DNA-smältkurvor för att skilja dubbla spiraler som innehåller 5-bromouracil i en sträng.

Arthur tänkte noga på detaljer om att organisera avdelningen och lösa den i läkarskolans och universitetets liv. Hans plan var att skapa den perfekta arbetsplatsen. Forskargrupperna skulle samarbeta med varandra och ingenting skulle störa forskningen, även om institutionen var stolt över undervisningen i sin populära kurs i allmän biokemi. Arthur diskuterade ibland med Wallace Sterling, Stanfords President, hans tankar om hur medicinsk vetenskap ska utvecklas i Stanford. Han bjöd två gånger President Sterling till en informell lunch med biokemi fakulteten så att vi skulle känna honom också.

här är några av de innovationer som Arthur gjorde när avdelningen startade 1959. Studenter och postdoktorer blandades i gemensamma laboratorier så att de olika forskargrupperna skulle känna till varandras forskningsarbete. Sällsynta enzymer delades och stora instrument gjordes tillgängliga för alla. Forskningsanslag delades. Varje fakultetsmedlem förväntades ta in den summa pengar som hans grupp spenderade, men strikt redovisning krävdes inte och det fanns inga ekonomiska tidsfrister. Hela avdelningen deltog tisdag / torsdag middagsseminarier. Först gav endast fakultetsmedlemmar och besökande forskare samtal, men senare tillkom postdoktorer och seniorstudenter. Avdelningen antog endast fyra nya studenter varje år för en fakultet på sju, och potentiella studenter screenades noggrant. Många av de tidiga studenterna blev välkända forskare. Gruppstorlekar hölls små. Fakultetsmedlemmar arbetade själva i laboratoriet och undervisade studenter med lärlingsmetoden. Fakultetsmöten hölls först när det var något viktigt att bestämma; Arthur fattade mindre beslut själv. Frågor beslutades vid fakultetsmöten med konsensus; när en fråga hade diskuterats var det inte nödvändigt att rösta. Hur fungerade allt detta i praktiken? Fabulously, enligt postdoktorer som, när de började nya jobb och lämnade, återkallade wistfully sina dagar i Stanford.

av de ursprungliga sju fakultetsmedlemmarna, bara en någonsin kvar. 1959 kunde jag känna spänning mellan Arthur och Mel Cohn över hur man hanterar biologiska problem. Mel talade entusiastiskt om Gestaltbiologi, uppfattningen att man inte kan förstå ett biologiskt problem genom att dissekera det i delar. Arthur förespråkade att använda kemi, särskilt enzymer, som det grundläggande verktyget för att lösa biologiska problem. 1962 lämnade Mel Cohn Stanford för det nybildade Salk Institute, och 1963-64 gick Lubert Stryer och George Stark till vår avdelning. De gjorde snart innovativa experiment, särskilt utvecklade nya metoder som väckte stor uppmärksamhet. Luberts experiment på fluorescensenergiöverföring (Stryer och Haugland 1967) ledde till utvecklingen av FRET (fluorescensresonansenergiöverföring) som ett viktigt biofysiskt verktyg. George utvecklade allmänt använda metoder för att analysera transkription och översättningsexperiment på papper: The Northern method (Alwine et al. 1977) för mRNA och den västerländska metoden (Renart et al. 1979) för proteiner. Även om både Lubert och George så småningom lämnade vår avdelning, behöll de nära band. 1971 gick Ron Davis till avdelningen och, som den ursprungliga sex fakulteten, lämnade aldrig Stanford. Ron tog med sig elektronmikroskopi av DNA, ett kraftfullt verktyg som snart användes allmänt i avdelningen.

den tidiga Stanford Biochemistry Department var ett samhälle där alla delade och glädde sig över de upptäckter som gjorts av andra. 1959 samlades hela avdelningen hemma hos Arthur en kväll i månaden för att lyssna på de senaste resultaten från en forskargrupp. Inom några år kunde vi inte alla passa in i Arthurs vardagsrum och vi försökte träffas på ett rum på Stanford campus, men stämningen var inte densamma. Sedan 1972 började vi två gånger om året möten på Asilomar, som varade några dagar, där alla forskargrupper rapporterade. På den tiden var det alltid minst en överraskande upptäckt vid varje möte.

vid 1970 var lösningar på de stora problemen med hur DNA gör RNA gör proteiner tydliga åtminstone i kontur, och våra fakultetsmedlemmar gick vidare till nya problem. Arthur hade funnit att DNA-replikation är ett multienzymproblem även i enkla virussystem, och han började utarbeta de detaljerade enzymatiska mekanismerna för DNA-replikation, först av fager M13 och sackaros174, sedan av E. coli själv. Paul Berg genomförde studien av djurvirus och var snart involverad i problem med rekombinant DNA. Bob Lehman började studera genetisk rekombination på DNA-nivå med både enzymatiska och genetiska verktyg. Dave Hogness genomförde analysen av utvecklingen i Drosophila på DNA-och mRNA-nivåerna genom att studera utvecklingsmutanter som gör monster med extra ben eller vingar. Dale Kaiser valde ett bakteriesystem, Myxococcus, för att utarbeta en genetisk analys av utvecklingen i ett prokaryot system. Även Arthur testade vattnet för att undersöka utveckling på enzymatisk nivå genom att använda bakteriesporer som ett möjligt modellsystem. Men hans DNA-replikeringsarbete drev sporer åt sidan. Jag började söka efter strukturella mellanprodukter i proteinvikning och mekanismen för vikning.

ett dramatiskt ögonblick kom 1969 när John Cairns meddelade att han och hans assistent hade hittat en livskraftig mutant av E. coli som saknar detekterbar aktivitet av enzymet DNA-polymeras i (de Lucia och Cairns 1969). En sökning efter andra DNA-polymeraser följde snart. Otroligt nog var det Arthurs son, Tom, som arbetade med Malcolm Gefter i Columbia, som hittade först DNA-polymeras II och sedan DNA-polymeras III, enzymet som replikerar E. coli-kromosomen. Historien sammanfattas av Arthur i hans vetenskapliga memoar (Kornberg 1989a). Tom var musikstudent på Juilliard med en lovande karriär som cellist framför sig. Vid den tidpunkt då Cairns mutant blev allmänt känd hade Tom lidit en skada på handen som störde hans cellospelande. Utan formell utbildning i biokemi gick Tom med i Gefters laboratorium och lyckades där andra hade lite tur. Ett annat dramatiskt ögonblick kom 2006 när Arthurs äldsta son, Roger, fick Nobelpriset i kemi för sitt arbete på molekylär basis av eukaryot transkription (Kornberg 2007). Arthurs tredje son, Ken, är en arkitekt känd för sin design av vetenskapliga laboratorier.

här är två exempel på forskning som tog fart på grund av Arthurs policy att blanda forskargrupper i gemensamma laboratorier. 1968 delade Immo Scheffler, en student i min grupp som analyserade DNA–helix-coil-övergångar i hårnålspiriser, ett laboratorium med Toto Olivera, en postdoktor i Bob Lehmans grupp som undersökte de enzymatiska egenskaperna hos E. coli DNA-ligas. Toto och Immo fann att ligas kommer att stänga d (TA)n oligoncleotider i cirkulära molekyler med en sträng (Olivera et al. 1968) om de är tillräckligt stora (n = 16 eller högre). Sedan fann Immo och Elliot Elson, som arbetade med Immo på analysen av hårnålsmältningskurvorna, att de kunde använda de cirkulära oligonukleotiderna, som gör dubbla hårnålspiror med en fyrbasögla i varje ände, för att få detaljerad information om rollen av små slingor i DNA-smältning (Scheffler et al. 1970). Ett andra exempel ges av Doug Vollrath, en student i Ron Davis grupp som 1986 delade ett laboratorium med Gil Chu, en postdoktor i Paul Bergs grupp. Gil har en doktorsexamen i fysik från Massachusetts Institute of Technology. Doug försökte få bättre lösta agarosgelmönster för jätte DNA-molekyler genom att använda den nya tekniken för att applicera ett alternerande elektriskt fält, vilket utnyttjar det starka beroendet av DNA-omorienteringstiden på molekylvikt. Gil insåg att han kunde ta itu med problemet med att få raka, regelbundna DNA-band som är väl löst genom att lösa ekvationer från grundläggande elektrisk teori. Hans lösning kräver flera elektroder vars spänningar kan styras individuellt. Resultatet var vackert lösta DNA-bandmönster (Chu et al. 1986).

som ett exempel på hur politiken för att dela enzymer fungerade, påminner Dale Kaiser Arthurs gåva 1965 av två renade enzymer som möjliggjorde arbetet från Dales laboratorium på de sammanhängande ändarna av fag lambda DNA (Strack och Kaiser 1965). De två enzymerna var E. coli exo III, som bryter ned DNA-strängar från 3′ – änden, och E. coli DNA Pol i, som kopierar bassekvensen för en Mallsträng genom att syntetisera DNA vid 3′ – änden av en primersträng. De höga specificiteterna hos de två enzymerna är viktiga för att tolka resultaten. Strack och Kaiser hade tillgång till en infektivitetsanalys som mäter förmågan hos renat lambda-DNA att producera FAG i E. coli när inaktiv hjälparfag också tillsätts. Det var känt att renat lambda-DNA har sammanhängande platser (Hershey et al. 1963) som fungerar för att bilda DNA-dimerer och trimerer. Strack och Kaiser fann att både exo III och Pol i inaktiverar lambda-DNA, som testats av infektivitetsanalysen, och inre genetiska markörer går förlorade efter enzymbehandling i samma takt som yttre markörer, vilket indikerar att var och en av de två enzymerna inaktiverar lambda-DNA i en helt eller ingen process. Deras resultat passar en modell där dinglande enkelsträngade ändar sticker ut i varje ände av dubbelsträngat lambda-DNA och ger de sammanhängande platserna som Hershey och medarbetare hittade (1963). Exo III bryts ned progressivt från 3 ’- änden medan pol i använder den dinglande 5 ’- änden som en mall för att förlänga 3’-änden tills endast dubbelsträngat DNA kvarstår, vilket förhindrar att lambda-DNA cirkulerar.

1990, vid 72 års ålder, startade Arthur ett nytt forskningsfält, den enzymatiska syntesen och nedbrytningen av polyfosfat, som involverade att undersöka polyfosfats biologiska funktioner. Arthur och hans avlidna fru, Sylvy, hade upptäckt polyfosfatsyntes i E. coli tillbaka 1956 (Kornberg et al. 1956). Polyfosfat innehåller fosfatbindningar med hög energi och kan användas för att göra ATP från AMP. Således är polyfosfat en lagringsform av reservenergi för bakterieceller och kan förväntas spela en viktig roll i bakteriens livscykel. Arthur hittade många fall där detta är sant (Kornberg 1999). I synnerhet krävs i patogena bakterier polyfosfatmetabolism vanligen för virulens.

Arthur var stolt över de vetenskapliga resultaten av alla forskargrupper i vår avdelning, och han tog ett personligt intresse för alla som passerade. Många av kandidaterna är mycket medvetna om Arthurs roll för att göra avdelningen till ett bra ställe att göra forskning. För min del vet jag innerst inne att det var Stanford-miljön som lockade förstklassiga människor till min grupp, och det var Arthur som huvudsakligen var ansvarig.

när Arthur dog av andningssvikt i oktober var han 89 år och han hade varit sjuk i ungefär en vecka. Tidigare ledde han aktivt forskning om polyfosfat. Stanford Biochemistry Department kom ihåg Arthur med en 4-timmars ”teach-in.”Studenter och lärare valde favoritpapper från Arthurs lista över 463 publikationer och gav korta 5 – till 10-minuters sammanfattningar. Arthur skulle ha velat det.

ROBERT L. BALDWIN
biokemi avdelning, Beckman Center, Stanford Medical Center, Stanford, CA

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.