Фредерик Сангер

„Господ знае какви чудовишта имаат научниците во нивните епрувети“

Ова е наслов во еден весник во 1980 година кога Нобеловата награда ја добија Berg, Gilbert и Sanger, за нивните придонеси за хемијата на генетскиот материјал кои помогнаа во разбирање на биохемискиот концепт на животот.

Фредерик Сангер (1918 - 2013) е англиски биохемичар кој двапати ја добил Нобеловата награда за хемија.Тој ја добил првата награда во 1958 година за одредување на аминокиселинската секвенца на инсулинот и бројни други протеини, демонстрирајќи во процесот дека секој од нив има единствена, дефинитивна структура; ова беше основно откритие за централната догма на молекуларната биологија.

Во новоизградената Лабораторија за молекуларна биологија во Кембриџ, тој ја развил и последователно ја рафинирал првата техника за секвенционирање на ДНК, која значително го проширила бројот на изводливи експерименти во молекуларната биологија и останува во широка употреба и денес.Пробивот му ја донесе и втората Нобеловата награда за хемија во 1980 година, која ја поделил со Волтер Гилберт и Пол Берг.

Тој е еден од само тројцата луѓе кои освоиле повеќе Нобелови награди во истата категорија (другите се Џон Бардин за физика и Карл Бери Шарплес по хемија), и еден од петте лица со две Нобелови награди.

Фредерик Сангер е роден на 13 август 1918 година во Рендкомб, Англија. Во 1932 година, тој бил испратен во новоформираното училиште Брајанстон во Дорсет. Таму го користеле Далтоновиот систем и имало полиберален режим што на Сангер многу му одговарало и можел да го поминува поголемиот дел од последната година експериментирајќи во лабораторија заедно со неговиот ментор по хемија, Џефри Ордиш, кој бил истражувач во лабораторијата Кевендиш. Работата со Ордиш направила освежувачка промена од седењето и проучувањето книги и ја разбудила желбата на Сангер да продолжи со научна кариера.

Во 1936 година Сангер отишол на колеџот Сент Џон, Кембриџ, за да студира природни науки. Тој посетувал курсеви по физика, хемија, биохемија и математика, но се мачел со физиката и математиката па успеал да ја замени физиката со физиологија. Потоа почнал да се занимава со биохемија(како релативно нов оддел) и се здобил со почести од 1-ва класа.

Сангер почнал да го спрема својот докторат кој имал за цел да истражи дали може да се добијат протеини за јадење од тревата. Но по кратко време го променил својот истражувачки проект за да го проучува метаболизмот на лизинот. Неговата теза била насловена „Метаболизмот на аминокиселината лизин во телото на животните“.

Патот кон Нобеловата награда

Сангер останал во Кембриџ и во 1943 година се придружил на групата на Чарлс Чибнал, протеински хемичар кој ја презел Катедрата за биохемија. Чибнал веќе имал направено одредена работа на составот на аминокиселините на говедскиот инсулин и му предложил на Сангер да ги погледне амино групите во протеинот. Инсулинот можело да се купи од било која аптека и бил еден од ретките протеини што биле достапни во чиста форма.

Првиот триумф на Сангер е што ја одредил комплетната аминокиселинска секвенца на двата полипептидни синџири на говедскиот инсулин, А и Б, во 1952 и 1951 година, соодветно. Пред ова, се претпоставувало дека протеините се донекаде аморфни супстанци. При одредувањето на овие секвенци, Сангер докажал дека протеините имаат дефиниран хемиски состав.

За да дојде до оваа точка, Сангер рафинирал метод на преградна хроматографија за да го одреди составот на амино киселините во волната.Користел хемиски реагенс 1-флуоро-2,4-динитробензен (сега, познат и како Сангеровиот реагенс, флуородинитробензен, FDNB или DNFB). Сангеровиот реагенс се покажал ефикасен во означување на N-терминалната амино група на едниот крај од полипептидниот синџир. Тој потоа делумно го хидролизирал инсулинот во кратки пептиди, или со хлороводородна киселина или користејќи ензим како што е трипсин. Мешавината од пептиди била фракционирана во две димензии на лист филтер-хартија, прво со електрофореза во едната димензија, а потоа, нормално на таа, со хроматографија во другата димензија. Различните пептидни фрагменти на инсулин, откриени со нинхидрин, се преместиле на различни позиции на хартијата, создавајќи посебна шема што Сангер ја нарекол „отпечатоци од прсти“. Пептидот од N-крајот можело да се препознае по жолтата боја дадена од ознаката FDNB и идентитетот на означената аминокиселина на крајот од пептидот утврден со целосна киселинска хидролиза и откривање која динитрофенил-амино киселина била таму.
Со повторување на овој тип на процедура, Сангер успеал да ги одреди секвенците на многуте пептиди генерирани со користење на различни методи за почетна делумна хидролиза. Тие потоа можеле да се соберат во подолги секвенци за да се заклучи целосната структура на инсулинот. Конечно, бидејќи синџирите А и Б се физиолошки неактивни без трите поврзувачки дисулфидни врски (две меѓусинџири, еден внатрешен синџир на А), тој и соработниците ги исполниле своите задачи во 1955 година.Главниот заклучок била дека двата полипептидни синџири на протеинскиот инсулин имаат прецизни секвенци на аминокиселини и, како проширување, дека секој протеин има единствена низа. Токму ова достигнување му ја донесе првата Нобелова награда за хемија во 1958 година. Ова откритие беше клучно за подоцнежната хипотеза на Крик за развој на идеи за тоа како ДНК ги кодира протеините.

Секвенционирање на РНК

Од 1951 година Сангер бил член на Советот за медицински истражувања и кога ја отвориле Лабораторијата за молекуларна биологија во 1962 година, станал шеф на одделот за хемија на протеини.Тој започнал да ја истражува можноста за секвенционирање на молекулите на РНК и почна да развива методи за одвојување на рибонуклеотидните фрагменти генерирани со специфични нуклеази.
Клучниот предизвик во работата било да се најде чисто парче РНК за секвенционирање. Во текот на работата тој ја открил во 1964 година, со Кјелд Маркер, формилметионин tRNA што ја иницира синтезата на протеините кај бактериите. Тој бил победен во трката да биде првиот што ќе секвенционира молекула на tRNA од група предводена од Роберт Холи од Универзитетот Корнел, кој ја објави низата од 77 рибонуклеотиди на аланин tRNA од Saccharomyces cerevisiae во 1965 година. До 1967 година, групата на Сангер ја утврдила нуклеотидната секвенца на 5S рибозомалната РНК од Escherichia coli, мала РНК од 120 нуклеотиди.

Секвенционирање на ДНК

Сангер потоа се свртел кон секвенционирање на ДНК, за што би бил потребен сосема поинаков пристап. Тој разгледувал различни начини на користење на ДНК полимераза I од E. coli за копирање на едноверижна ДНК. Во 1975 година, заедно со Алан Кулсон, тој објавил постапка за секвенционирање користејќи ДНК полимераза со радиоозначени нуклеотиди што ја нарече техника „Плус и минус“. Ова вклучува два тесно поврзани методи кои генерираат кратки олигонуклеотиди со дефинирани 3' завршници. Тие може да се фракционираат со електрофореза на полиакриламид гел и да се визуелизираат со користење на авторадиографија. Постапката можела да секвенционира до 80 нуклеотиди во едно движење и била големо подобрување во однос на претходното, но сепак била многу макотрпна. Сепак, неговата група успеала да ги секвенционира повеќето од 5.386 нуклеотиди на едноверижниот бактериофаг φX174.Ова е првиот целосно секвенциониран геном базиран на ДНК. На нивно изненадување открија дека кодираните региони на некои од гените се преклопуваат еден со друг.

Во 1977 година Сангер и неговите колеги го вовеле методот за терминирање на синџирот „дидеокси“ за секвенционирање на молекулите на ДНК, исто така познат како „Метод на Сангер“. Ова било голем пробив и овозможило долги делови на ДНК брзо и прецизно да се секвенционираат. Тоа му ја донесе втората Нобелова награда за хемија во 1980 година, која ја сподели со Волтер Гилберт и Пол Берг. Новиот метод е користен од Сангер и неговите колеги за да се секвенционираат човечка митохондријална ДНК (16.569 базни парови) и бактериофаг λ (48.502 базни парови). Дидеокси методот на крајот беше искористен за секвенционирање на целиот човечки геном.

Појаснување на неговите техники

Протеините се едни од најкомплицираните и најзагадочни материи во Природата и се чини дека се особено тесно поврзани со сето она што ние го нарекуваме Живот. Во оваа група на клучни супстанци припаѓаат, на пример, сите ензими и многу хормони, кои ги контролираат хемиските процеси на животот, исто така вирусите и многуте токсини кои предизвикуваат болести и антителата, кои се формираат при вакцинацијата и се способни да не заштитат од инфекции.Во крвта и во сите ткива на телото, во мускулите, нервите и кожата, протеините се суштинска и функционална состојка. Хемиската индивидуалност на протеините е одговорна за разликите на видовите меѓу сите живи суштества. Утврдувањето на точниот градежен план за овие комплицирани гигантски молекули се појавува како еден од најголемите проблеми во денешното научно истражување.

Дури и ако некои протеински молекули се доволно големи за да се набљудуваат во нашите најмоќни електронски микроскопи, не е можно со ниеден директен метод да се видат пофините детали во нивната структура. Тука мора да се прибегне кон индиректните методи кои хемичарите ги користат при проучувањето на структурата на комплицираните супстанци. Така, треба да се разложат големите молекули со соодветни методи и да се бараат поедноставни и добро познати супстанци меѓу добиените фрагменти. Оваа постапка со протеини ја користел германскиот хемичар и нобеловец Емил Фишер на почетокот на минатиот век. Тој открил дека протеинските молекули содржат долги синџири на таканаречени амино киселини. Станува збор за релативно едноставни материи од кои во природата се наоѓаат околу 25 различни видови, а се формираат кога протеините се „варат“ со силни киселини. Така, знаеме дека протеините содржат голем број на различни видови амино киселини, но составот и, пред сè, низата на амино киселините во синџирите значително се разликуваат. Всушност, долго време се претпоставувало дека токму оваа низа ги одредува индивидуалните хемиски и физиолошки својства на различни протеини.

На сите им е добро познато дека инсулинот е физиолошки важен хормон кој се користи за лекување на дијабетес. Инсулинот е исто така протеин и дури и ако неговите молекули не припаѓаат на најголемите, тие се доволно комплицирани за да ја направат задачата за одредување на нивната структура да изгледа застрашувачка. Но, токму тој потфат го започнал Фредерик Сангер и по ревносна и упорна работа постепено го доведе до успешно решавање на проблемот; имено точниот режим во кој 51 аминокиселина на молекулата на инсулин се поврзани заедно.Сангер развил метод за „означување“ на неговиот слободен амино-крај:одредена аминокиселина која се наоѓа на крајот на синџирот. За таа цел тој користел реагенс за боја, динитрофлуорбензен, кој е релативно цврсто врзан за амино киселината и ќе остане таков дури и ако синџирот е прекинат и крајната амино киселина на тој начин се ослободи. Во комплицираната мешавина на аминокиселини што резултира ако инсулинот, „означен“ на овој начин, се вари со киселини, така може да се изолираат обоените компоненти, кои мора да претставуваат терминални групи. На овој начин Сангер можел да покаже дека молекулата на инсулин содржи два различни синџири со различни крајни групи и успеал да ги изолира откако ја „скршил“ молекулата со оксидација. Така проблемот станал поедноставен: наместо една молекула со 51 аминокиселина Сангер сега имал две со 31 и 20.

Ако синџирите се само делумно распаднати - на пример со третман со слаби киселини или ензими - се добиваат поголеми фрагменти од синџирот, кои содржат 2, 3, 4, 5 или повеќе аминокиселини во самата низа во која се појавуваат во недопрена молекула. Сангер успеал да изолира и идентификува голем број такви фрагменти од комплицираните смеси добиени со таков третман. Во оваа работа тој многу вешто комбинирал различни хроматографски и електрофоретски методи, особено хартиената хроматографија како што ја вовеле Мартин и Синге, нобеловци по хемија 1952 година. Сангер успеал да ја одреди низата на аминокиселините во секој дел од вака изолираниот синџир. Во оваа работа неговите методи на „крајната група“, биле од голема помош. Секое парче претставувало голем број на алки во синџирот и сега останало сите овие парчиња да се вклопат на правилен начин и на тој начин да се реконструира – барем на хартија – оригиналниот синџир. Овој дел од делото потсетувало на сложувалка. Тоа било тешка и макотрпна операција, но успеал: се покажало возможно да се направи сложувалката да одговара. Со други зборови, Сангер успеал да го реконструира прво едниот, а потоа и другиот синџир од сите добиени парчиња, и што е особено важно – резултатот бил ист, независно од методот што се користел за кинење на синџирите.

Така,тој можел да ја даде точната низа на 31 аминокиселина во едниот синџир и 20 во другиот синџир. Веќе порано покажал дека двата синџири се држат заедно за да формираат молекула на инсулин со помош на два моста од атоми на сулфур. Точните позиции на овие мостови биле одредени на начин сличен на оној што се користи за одредување на структурата на синџирите.Така е воспоставена структурата на инсулинот - навистина извонредно достигнување. Инсулинот е протеин и ова било првпат да се утврди структурата на супстанцата што припаѓа на оваа многу важна група.

А за ДНК?

Меѓутоа, значењето на делото на Сангер достигнува многу подалеку. Постапката што тој ја користел толку успешно може да се примени на протеините воопшто, во обидите да се одреди нивната структура. Многу истражувачи се ангажирани во такви истражувања, и се чини дека се на пат важни резултати во истражувањето на тоа како протеините ја играат својата улога како клучни супстанци во хемиските процеси на Животот.

Телото и душата на човекот се најкомплексната и најпрефинета хемиска машина што ја знаеме. Дури и наједноставните форми на живот, на пример бактериите, се речиси неизмерно сложени системи во споредба со мртвата материја што ја наоѓаме на нашата Земја и надвор во остатокот од Универзумот. Модерната биологија нè научи дека не постои Vis Vitalis, а живите организми целосно се состојат од „мртви“ атоми. Ова не значи дека е пожелно, па дури и можно, да се обидеме да ги сведеме сите проблеми од биологијата на биохемија.

Машинеријата на животот е овозможена со уникатна интеракција помеѓу две групи биолошки гигантски молекули, нуклеинските киселини и протеините, во форма на ензими, оркестарот кој свири различни изрази на животот, подвижноста, чувствата, репродукцијата итн. носител на генетските особини во хромозомите на клетките и управува со хемиската машинерија со одредување кои ензими ќе ги произведува клетката. Знаеме преку истражувањата кои претходно беа наградени со Нобелови награди, дека секвенцата на градбените блокови во ДНК, наречени нуклеотиди, ја одредува структурата на одреден ензим што клетката го произведува. Истражувачите на кои им беше доделена Нобелова награда за хемија, 1980 година Пол Берг, Валтер Гилберт и Фредерик Сангер, преку нивните методолошки придонеси овозможија да навлеземе во понатамошна длабочина во нашето разбирање за односот помеѓу хемиската структура и биолошката функција на генетскиот материјал. Берг е првиот што конструираше рекомбинантна ДНК молекула, т.е. молекула која содржи дел од ДНК од различни видови, на пр. гени од човечко суштество во комбинација со дел од бактериски хромозом. Берг исто така го користел својот метод за да го анализира хромозомот на вирусот во значителни детали.

Гилберт и Сангер независно развија посебни методи за одредување на точната секвенца на градежните блокови во ДНК. Гилберт дополнително ги проучувал оние делови од ДНК во бактериски хромозом кои ја контролираат транскрипцијата на генетската порака во клетката. Сангер ја одредил целосната нуклеотидна низа за мал вирус, чија ДНК сè уште се состои од не помалку од 5.375 градежни блокови.
Тоа беше истражување што го подели светот, поради што еден шведски весник имал наслов „Господ знае кои чудовишта ги имаат научниците во нивните епрувети“. Како може Кралската шведска академија на науките да го усогласи својот избор со волјата на Нобел, во која се вели дека наградите треба да се доделуваат за придонеси што му дале најголема корист на човештвото? Дебатата за рекомбинантна ДНК ја започнаа самите научници, по иницијатива на Берг, предупредувајќи за можни опасности со новата техника. Сепак, континуираното истражување покажа дека грижата за хипотетички ризици е неоправдана. Наместо тоа, техниката на рекомбинантна ДНК, заедно со методите за определување на нуклеотидните секвенци, е исклучително важна алатка за проширување на нашето разбирање за начинот на кој молекулата на ДНК управува со хемиската машинерија на клетката. Резултатите од тројцата истражувачи веќе му дадоа корист на човештвото, не само во форма на ново фундаментално знаење, туку и во форма на важни технички апликации, на пр. производство на човечки хормони со помош на бактерии. Во подолга перспектива, методите на Берг, Гилберт и Сангер треба да станат важни средства во нашите напори да ја разбереме природата на ракот, бидејќи кај оваа болест постои дефект во контролата од страна на генетскиот материјал на растот и поделбата на клетката.