LAUREÁTI NOBELOVY CENY

V roce 1958 byli Nobelovou cenou za fyziologii nebo lékařství poctěni američtí badatelé na poli genetiky George Wells Beadle, Edward Lawrie Tatum a Joshua Lederberg.

GEORGE WELLS BEADLE

(1903–1989)

Narodil se 22. října 1903 ve Wahoo ve státě Nebraska v USA jako druhé ze tří dětí farmáře Chauncey Elmera Beadlea a Hattie rozené Albrové. Ve čtyřech letech ztratil matku. Když se při nešťastné nehodě zabil jeho starší bratr, měl George zdědit čtyřicetiakrovou farmu. Na střední škole ho však mladá fyzikářka Bess MacDonaldová přesvědčila, aby pokračoval ve studiích. V roce 1922 se zapsal na Zemědělské fakultě Nebraské univerzity v nedalekém Lincolnu a brzy propadl genetice: Své druhé letní prázdniny prožil v agronomickém ústavu profesora Franklina D. Keima nad hybridní pšenicí. Roku 1926 dosáhl titulu bakaláře a 1927 magistra přírodních věd.

Keimovým prostřednictvím dostal místo asistenta na Cornellově univerzitě v Ithace, a tak jako Barbara McClintocková tam byl přijat do výzkumné skupiny vedené zakladatelem genetiky kukuřice Rollinsem Adamsem Emersonem. V letech 1927–1931 studoval mendelovskou asynapsi u kukuřice (Zea mays) a objevil souvislost genetických poruch v kukuřičném pylu s abnormálním chováním chromozomů během meiózy. Roku 1928 se oženil s Marion Cecile Hillovou. Měli spolu syna Davida. Po obhajobě dizertace o procesu meiózy u kukuřice získal 1931 doktorát.

Z Ithaky, kde by byl rád zůstal, ho odvedlo stipendium Národní rady pro výzkum ke dvouletému pobytu (1931–1933) na katedře biologie Kalifornského technologického institutu („Caltech“) v Pasadeně. V tamní genetické laboratoři vedené věhlasným Thomasem Huntem Morganem pokračoval ve studiu kukuřice (A Summary of Linkage Studies in Maize, Cornell University Agricultural Experimental Station Memo, 1935; 180, s R. A. Emersonem a A. C. Fraserem), zapojil se však i do výzkumu jevu chromozomálního překřížení, který prováděli Teodosij Hryhorovyč Dobžans’kyj, Alfred Henry Sturtevant a Sterling Emerson na mušce octomilce (Drosophila melanogaster). Beadle objevil, že ke chromozomálnímu překřížení a rekombinaci genetického materiálu během meiózy dochází náhodně. V letech 1933–1936 setrval v Pasadeně jako asistent. V roce 1934 pracoval u Morgana stipendista Rockefellerovy nadace Boris Ephrussi, embryolog z Paříže. Beadle sdílel jeho zaujetí biochemickou stránkou procesu od genotypu k fenotypu a zejména otázkou dědičnosti barvy očí octomilky, která je normálně červenohnědá, ozářením však lze indukovat více než dva tucty barevných mutací; u dvou z nich („vermilionové“ a „cinnabarové“) hnědý pigment chybí a postižené mušky mají oči jasně červené (rumělkové). Ephrussi a Beadle se rozhodli věnovat rok pokusu o sjednocení poznatků genetiky a embryologie, oborů pracujících s odlišnými technikami na odlišných organismech. Po šest měsíců roku 1935 pokračovali v Ephrussiho laboratoři v pařížském Ústavu fyzikálně-chemické biologie; navázali na práci A. H. Sturtevanta, který vyšlechtil heterozygotní gynandromorfní octomilky s jedním genem pro normální (červenohnědou) barvu očí a druhým pro rumělkovou barvu typu „vermilion“, přitom však vždy s očima normální barvy, což ukazovalo na účinek působku difundujícího z normální oční tkáně do „vermilionové“. Ephrussi a Beadle se pokoušeli určit genetický základ obou poruch syntézy hnědého pigmentu, projevujících se rumělkovýma očima.

Práci založili na transplantaci očních imaginálních disků. Přenášeli je mikropipetami z larev jednoho do larev jiného typu s těmito výsledky: rumělkové (jak „cinnabarové“, tak „vermilionové“) oční disky v normálních larvách, normální oční disky v „cinnabarových“ i „vermilionových“ larvách a rovněž „vermilionové“ oční disky v „cinnabarových“ larvách se vyvinuly v normální oči, kdežto „cinnabarové“ oční disky ve „vermilionových“ larvách se vyvinuly v „cinnabarové“ oči. Beadle s Ephrussim z toho určil biochemickou dráhu pro tvorbu hnědého očního pigmentu octomilky: prekurzor > „vermilion“ > „cinnabar“ > hnědý pigment (The Development of Eye Colors in Drosophila as Studied by Transplantation, American Naturalist 1937; 71: 120–126; Development of Eye Colours in Drosophila: Pupal Transplants and the Influence of Body Fluid on Vermilion, Proceedings of the Royal Society of London, series B, 1937; 122: 98–105, s C. W. Clancym a B. Ephrussim).

Po návratu do USA 1936 působil Beadle krátce jako docent genetiky na Harvardově univerzitě, avšak 1937 byl jmenován profesorem na Stanfordově univerzitě a tam s Edwardem Lawrie Tatumem začal spolupracovat na dalším výzkumu pigmentového systému octomilky (Development of Eye Colors in Drosophila: Some Properties of the Hormones Concerned, Journal of General Physiology, 1939; 22: 239–253, s E. L. Tatumem). Poté, co připravili „vermilion“ v krystalické podobě, objevili, že prekurzorem hnědého pigmentu je tryptofan. Byli však předstiženi, když Němec určil obě rumělkově červené látky. Adolf Butenandt se spolupracovníky identifikoval „vermilion“ jako kynurenin a „cinnabar“ jako 3 hydroxykynurenin, a stanovil tak biochemickou dráhu hnědého očního pigmentu, „vermilionová“ mutace byla určena jako genetická porucha enzymu konvertujícího n-formylkynurenin v kynurenin a „cinnabarová“ mutace jako genetická porucha enzymu konvertujícího kynurenin ve 3-hydroxykynurenin.

Dosavadní laboratorní postupy byly stále příliš pomalé a biochemie octomilky příliš složitá. Beadle s Tatumem proto hledali pro své genetické studie ještě jednodušší, snadno kultivovatelný a manipulovatelný organismus, nejlépe haploidní, s krátkým životním cyklem a dostatečně probádanou biochemií. V roce 1941 jej našli v růžové chlebové plísni Neurospora crassa, normálně rostoucí i na tzv. minimálních půdách obsahujících jen cukr, anorganické soli a biotin (zdravý „divoký“ kmen všechny své proteiny syntetizuje), rozmnožující se pohlavně i nepohlavně, s askosporami lineárně řazenými podél asku. Beadle a Tatum se rozhodli studovat geny neurospóry cestou jejich umělého poškozování paprsky X (už roku 1926 ukázal Hermann Joseph Muller, že frekvenci mutací v genetickém materiálu a následných tělesných abnormalit a deformit lze takto zvýšit stonásobně). Kolonie neurospóry kultivovali na minimální půdě, pak nepohlavní spóry „divokého“ typu vystavili paprskům X, a tak je změnili v mutanty s poruchou tvorby nějakého vitaminu nebo aminokyseliny, smísili je s neurospórami „divokého“ typu, sebrali potomstvo sexuálních spór a přesadili je na půdu bohatou na všechny teoreticky potřebné živiny, kde mutanti rostli stejně dobře jako nezmutované spóry. Vypěstovali tak tisíc kultur v podmínkách slepého pokusu; testování na půdách ochuzených vždy o jednu určitou živinu pak ukázalo, je-li zkoumaná neurospóra schopna tvořit tuto živinu sama, nebo je-li pro mutaci biochemického genu odkázána na její přítomnost v půdě. Následovala kultivace ozářených kultur na minimální půdě, kde růst odhalil nezmutované neurospóry a neschopnost růstu prozradila mutanty. Kultivace na řadě minimálních půd lišících se obsahem jediné přidané živiny nakonec rozhodla, že živina v jediné půdě, na níž mutant rostl, byla totožná se živinou, kterou mutant nebyl schopen tvořit sám.

Beadle a Tatum izolovali mnoho nutričních mutantů plísně Neurospora crassa; například 299. vzorek se projevil jako deficientní pro vitamin B₆, vzorek číslo 1085 jako deficientní pro vitamin B₁. Genetické křížení těchto mutantů navzájem, s jinými mutanty i s kmeny „divokého“ typu neurospóry ukázalo lokalizaci mutací na určitých místech chromozomů neurospóry; mutace tedy zasáhla určité geny kódující určité enzymy pro syntézu určitých aminokyselin a vitaminů. Beadle a Tatum tak prokázali, že každý enzym je kódován svým genem; koncepce „jeden gen, jeden enzym“ je mezníkem na cestě k molekulární genetice (Genetics and Metabolism in Neurospora, Physiological Review 1945; 25: 643–663. Biochemical Genetics, Chemical Reviews 1945; 37: 15–96. The Genetic Control of Biochemical Reactions, Harvey Lectures 1945; 4: 179 až 194).

V roce 1946 se Beadle ze Stanfordu vrátil do Pasadeny jako profesor a Morganův nástupce v čele katedry biologie. Administrativní povinnosti ho vzdálily od laboratorního výzkumu. Všechny své síly obětoval modernizaci směrem k molekulární biologii, získávání nadějných badatelů i prostředků na stavbu nových laboratorních budov. V roce 1953 skončilo manželství s Marion rozvodem a téhož roku se Beadle oženil s ovdovělou spisovatelkou Muriel McClure-Barnettovou.

V roce 1958 byla polovina Nobelovy ceny za fyziologii nebo lékařství rozdělena napůl mezi Beadlea a Tatuma „za jejich objev, že geny působí regulací určitých chemických pochodů“. Druhou polovinu dostal Tatumův žák a spolupracovník Joshua Lederberg „za své objevy genetické rekombinace a organizace genetického materiálu u bakterií“. Na slavnosti ve Stockholmu 10. prosince 1958 chyběl laureát za literaturu Boris Pasternak (jeho román „Doktor Živago“ byl v SSSR zakázán a sovětští vládci donutili autora Nobelovu cenu odmítnout). V krátké prezentační řeči k ceně za fyziologii nebo lékařství zmínil profesor Torbjörn Oskar Caspersson z Královského Karolinského lékařsko-chirurgického Institutu účinky ozáření živých organismů a jeho využití Beadlem a Tatumem ke studiu dědičnosti na nutričních mutantách plísně Neurospora crassa.

Stručný přehled experimentů vedoucích k objevu konceptu „jeden gen, jeden enzym“ podal následujícího dne Beadle v přednášce „Genes and Chemical Reactions in Neurospora“. Přednáška měla čtyři části: o vrozených chybách metabolismu, o mutantech očního pigmentu u octomilky, o nutričních mutantech neurospóry, o implikaci konceptu „jeden gen, jeden enzym“ do genetiky a biologie. Beadle připomněl založení genetiky 1865 Johannem Gregorem Mendelem a jeho všeobecné nepochopení až do objevu genetické podstaty alkaptonurie Archibaldem Garrodem a zrodu jeho koncepce vrozených chyb metabolismu v roce 1902. Vzpomněl také, že v Garrodově stopě studoval s Ephrussim ve 30. letech biochemii a genetiku očních pigmentů u octomilky. Závěrem Beadle poukázal na přezíravost botaniků a zoologů vůči genetice pro její domnělou omezenost na povrchní znaky; přitom dnes „naše rychle se prohlubující poznání architektury proteinů a nukleových kyselin poprvé v dějinách vědy umožňuje genetikům, biochemikům a biofyzikům rokovat o základních otázkách biologie ve společném jazyce molekulární struktury.“(Nobel lecture: Genes and Chemical Reactions in Neurospora, Science 1959; 129: 1715–1719).

Působení v Pasadeně zakončil Beadle ve funkci děkana ve školním roce 1960/1961. V lednu 1961 se stal profesorem biologie a kancléřem, na podzim pak rektorem Chicagské univerzity. V této funkci zůstal až do dosažení věkové hranice k povinnému odchodu na odpočinek roku 1968, tedy v bouřlivých letech studentských protestů i rasového napětí vně i uvnitř univerzity (v posledním roce jeho rektorského funkčního období byli zavražděni Martin Luther King a Robert Francis Kennedy). V nelehkých časech se Beadle velmi osvědčil a rektorský úřad opouštěl se ziskem 160 milionů dolarů pro univerzitu (chicagskou kapitolu jeho života vylíčila Muriel Beadleová v knize Where Has All the Ivy Gone?, 1972).

Uprostřed vyčerpávající služby univerzitě napsal přehled vývoje genetiky od Mendela po Watsona a Cricka včetně své spolupráce s Ephrussim a Tatumem (Genetics and Modern Biology, Jayne Lectures for 1962. Philadelphia: American Philosophical Society, 1963) a s manželkou Muriel popularizoval genetiku v knize The Language of Life: An Introduction to the Science of Genetics, 1966 (za tuto práci dostali spolu 1967 Edisonovu cenu za nejlepší knihu o vědě pro mládež). Na sklonku působení v Chicagu se zapojil do „kukuřičných válek“ mezi genetiky a archeology o výklad původu kukuřice v obou Amerikách. Na základě nálezů z dob Mayů a Aztéků prosazoval domněnku, že kukuřice vznikla domestikací mexické divoké trávy.

Po odchodu na odpočinek řídil v letech 1968–1970 Institut pro biomedicínský výzkum Americké lékařské asociace. 1970 se stal kurátorem Kalifornského technologického institutu, rok nato čestným kurátorem Chicagské univerzity. V té době byl už ozdobou mnoha učených společností (1946 prezidentem Americké genetické společnosti, 1955 prezidentem Americké asociace pro pokrok vědy, 1960 členem Londýnské královské společnosti, počátkem 60. let předsedou Výboru pro genetické účinky atomového záření americké Národní akademie věd a 1969–1972 členem rady Akademie), dostal řadu cen (1950 Laskerovu, 1951 Dyerovu, 1953 Hansenovu, 1958 Einsteinovu aj.) a měl už přes 30 čestných doktorátů z univerzit amerických (1947 z Yaleovy, 1949 Nebraské,1952 Severozápadní atd.) a britských (1959 Oxfordské a Birminghamské).

Ještě jednou se ohlédl za svým životem v autobiografické eseji (Recollections, Annual Review of Biochemistry 1974; 43: 1–13). Svému věčnému tématu původu kukuřice věnoval tři poslední vědecké publikace v letech 1980 a 1981 (mj. přehledový článek Ancestry of Corn, Scientific American 1980; 242(1): 112–119). V roce 1982 se náruživý lyžař, horolezec, zahrádkář a milovník siamských koček uchýlil na odpočinek do kalifornské Pomony a tam dožil, pomalu zdoláván Alzheimerovou chorobou. Zemřel 9. června 1989 ve věku 85 let.

MUDr. Pavel Čech

Kabinet dějin lékařství 3. LF UK

Ruská 87, 100 00 Praha 10

e-mail: pavel.cech@lf3.cuni.cz