De ce Frederick Sanger este singurul deținător a două premii Nobel pentru chimie

Frederick Sanger, biochimist britanic ale cărui descoperiri despre chimia vieții au dus la descifrarea și limpezirea  genomului uman și la dezvoltarea de noi medicamente este singurul cercetător cu două premii Nobel în chimie. Cum a ajuns la două descoperiri distincte formidabile? 

Dr. Sanger (1918 – 2013) a câștigat primul său premiu Nobel în 1958, pentru că a arătat cum aminoacizii se leagă împreună pentru a forma insulina. Descoperirea a dat oamenilor de știință instrumentele pentru a analiza orice proteină din organism.

În 1980 a primit al doilea premiu Nobel, tot în chimie, pentru inventarea unei metode de citire a literelor moleculare care alcătuiesc codul genetic. Această descoperire a fost crucială pentru dezvoltarea medicamentelor biotehnologice și a furnizat trusa instrumentelor de bază pentru decodarea întregului genom uman două decenii mai târziu.

,,Am simțit că aș fi mult mai interesat și mult mai bun la ceva, unde aș putea lucra cu adevărat la o problemă.”

În timpul anilor de studiu ca elev, s-a concentrat inițial pe chimie și fizică, dar mai târziu a fost atras de un domeniu încă neînțeles și plin de mistere, biochimia. A obținut o diplomă de licență în 1939 și a rămas la Cambridge un an suplimentar pentru a urma un curs avansat de biochimie. În anii care au urmat, a studiat metabolismul lizinei (un aminoacid) împreună cu biochimistul Albert Neuberger. 

Pentru a fi ușor de urmărit informațiile cu privire la pașii premergători celor două premii, vom revizui câteva noțiuni esențiale ale chimiei. Astăzi suntem ținta informațiilor cu și despre aminoacizi aproape în orice context. Molecule relativ simple, organice (adică sunt în cea mai mare parte formate din carbon și hidrogen), prezente în orice formă de viață, cu o importanță necomparabilă în cadrul metabolismelor organismelor, au capacitatea de a se uni cu alte molecule de aminoacizi și formează lanțuri de proteine. O astfel de proteină este insulina care are rolul de a asigura pătrunderea glucozei în celule și care a fost elucidată de către Sanger, adică a descoperit ordinea fiecărui aminoacid din întreaga structură. Poate părea banal și la ordinea oricărui laborator performant astăzi, însă abia începând cu anii 1950 procesele fiziologice au putut fi înțelese și verificate cu ajutorul chimiei.

În rândul cercetătorilor de proteine de la acea vreme au existat două școli de gândire: pe de o parte cei care credeau că proteinele sunt compuși cu o structură atât de abstractă și într-o continuă transformare astfel încât nu s-ar putea identifica cu exactitate, iar pe de cealaltă parte (în care se încadra și Sanger), cei care susțineau că proteinele sunt compuși de sine stătători și care s-ar putea separa și identifica. 

Proteinele au o dimensiune largă, de la doar câțiva până la mii de aminoacizi legați între ei. Proteina tipică este un lanț de 300 până la 500 din cei douăzeci de tipuri de aminoacizi diferiți. La fel ca în cazul ADN-ului, secvența acestor subunități de aminoacizi – ordinea exactă a acestora în proteină – determină proprietățile chimice și fizice ale unei proteine.

Acum șaptezeci de ani, biochimiștii au argumentat dacă fiecare proteină are o singură secvență unică de aminoacizi sau dacă este o înlănțuire de diferite secvențe de aminoacizi. Frederick Sanger a fost omul de știință care a soluționat acest argument determinând ordinea aminoacizilor din insulina proteică, confirmând că secvența lor este unică. În ciuda realizărilor sale remarcabile, era cunoscut pentru modestia și natura sa liniștită. El a preferat „să se pună în laborator”, mai degrabă decât să fie un om de știință cu profil înalt la nivel mondial.

Sanger a determinat secvența aminoacizilor din insulină deoarece este o proteină mică care ar putea fi obținută în cantități mari datorită importanței sale medicale. Dar, pe cât de mică este proteina de insulină, are încă prea mulți aminoacizi pentru a se secvența imediat, așa că Sanger a tăiat-o mai întâi în bucăți mai mici. Apoi a aplicat metodele elegante pe care el și colegii săi le dezvoltaseră pentru identificarea ordinii aminoacizilor în fragmente mici de proteine. După ce a stabilit secvența aminoacizilor din fragmentele proteice, el a reușit să asambleze secvența aminoacizilor din întreaga proteină.

Procesul folosit de Sanger este simplu din punct de vedere conceptual. Imaginați-vă un șir de litere a căror ordine urmează să fie rezolvată. Șirul este tăiat aleatoriu în bucăți mai mici și se determină succesiunea literelor din fiecare bucată. De exemplu, piesele pot avea următoarele secvențe: M-R, L-P-L, R-L-L, L-W, L-L, P-L, W-M-R, L-W-M, L-L-P (fiecare literă este o abreviere pentru unul dintre cei douăzeci de aminoacizi). Știind că aceste secvențe scurte provin din aceeași secvență mai lungă, puteți alinia fragmentele: și vedeți că această secvență trebuie să fie L-W-M-R-L-L-P-L. Aceasta este ordinea unui lanț de aminoacizi din insulină. Apreciați fără îndoială că, cu cât secvența devine mai lungă, cu atât problema devine mai dură. În cele din urmă, Sanger a reușit să calculeze ordinea tuturor celor cincizeci și unu de aminoacizi din insulină, câștigându-și astfel prima călătorie la Stockholm.

Următorul capitol major din viața lui Sanger a început în 1962, când s-a alăturat Consiliului de Cercetări Medicale și a lucrat cu cercetători, precum Francis Crick, care studiau ADN-ul. Entuziasmul lui Crick pentru subiect a fost fascinant și Sanger a părăsit studiul proteinelor pentru provocarea secvențierii ADN-ului. Încă o dată, Sanger a combinat vechiul cu noul și a dezvoltat o metodă originală de secvențiere a ADN-ului, cunoscută acum sub numele de Metoda Sanger. 

În 1962, Consiliul de Cercetări Medicale și-a deschis noul laborator de biologie moleculară la Cambridge. A fost un an important pentru grup deoarece Crick a împărțit Premiul Nobel pentru fiziologie și medicină din 1962 cu geneticianul american James D. Watson pentru descoperirea ADN-ului (acidul dezoxiribonucleic).

Interacțiunea lui Sanger cu lanțurile de acid nucleic din noul laborator a dus la continuarea studiilor sale asupra acidului ribonucleic (ARN). Moleculele de ARN sunt mult mai mari decât proteinele, astfel încât obținerea moleculelor suficient de mici pentru dezvoltarea tehnicii a fost dificilă.

Scopul laboratorului lui Sanger a fost secvențierea unui ARN mesager și determinarea codului genetic, rezolvând astfel puzzle-ul în care grupurile de nucleotide codifică aminoacizii. Lucrând cu alți biochimiștii britanici, Sanger a dezvoltat o metodă de electroforeză bidimensională pentru secvențierea ARN-ului. 

La începutul anilor 1970, Sanger era interesat de acidul dezoxiribonucleic (ADN). Studiile privind secvența ADN nu s-au dezvoltat din cauza dimensiunii imense a moleculelor de ADN și a lipsei enzimelor adecvate pentru a diviza ADN-ul în bucăți mai mici. Sanger a început să utilizeze enzima ADN-polimerază pentru a produce noi catene de ADN din șabloane monocatenare, introducând nucleotide radioactive în noul ADN. În 1977, grupul lui Sanger a dedus cea mai mare parte a secvenței ADN a unui bacteriofag.

Însă nu s-a oprit aici, Sanger și colegii săi au folosit metoda pentru a secvența ADN-ul mitocondrial uman. Pentru contribuțiile sale la metodele de secvențiere a ADN-ului, Sanger a fost onorat cu al Nobel pentru chimie în 1980. S-a retras în 1983.

Strălucirea operelor lui Frederick Sanger nu constă în ceea ce a descoperit el, ci în modul în care a descoperit. Experimentalist calificat, el a dezvoltat noi tehnici de secvențiere a proteinelor și ADN-ului care au revoluționat știința și care sunt încă utilizate în prezent.

 

Surse: sursa 1 | sursa 2 | sursa 3 | sursa 4