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.

EDWARD LAWRIE TATUM

(1909–1975) 

Narodil se 14. prosince 1909 ve městě Boulder ve státě Colorado. Jeho děd, iowský kvaker Lawrie Tatum, působil po občanské válce jako indiánský zmocněnec a napsal knihu „Our Red Brothers“. Otec Arthur Lawrie Tatum byl asistentem chemie na Coloradské univerzitě, matka Mabel rozená Webbová byla jednou z prvních absolventek téže univerzity. Rodina se často stěhovala: přes wisconsinský Madison, Chicago, Philadelphii, Vermillion v Jižní Dakotě a opět Chicago dospěla v roce 1925 znovu do Madisonu, kde se otec stal profesorem farmakologie na lékařské fakultě Wisconsinské univerzity a proslul zavedením pikrotoxinu jako protijedu při otravě barbituráty.

Profesorova dcera se stala zdravotní sestrou, mladší syn lékařem a starší Edward, náruživý plavec, bruslař a hráč na lesní roh, pomýšlel na geologii, otcův příklad však obrátil jeho zájem k chemii. Ze cvičné školy Chicagské univerzity se Edward vrátil do Madisonu na Wisconsinskou univerzitu s tradicí výzkumu v zemědělské mikrobiologii a chemii, bakalářské studium dokončil v roce 1931 a magisterské rok poté. První publikaci (Effect of Associated Growth on Forms of Lactic Acid Produced by Certain Bacteria. Biochem J 1932; 26: 846–852 (s Petersonem a Fredem)) věnoval tvorbě racemického laktátu při sdruženém růstu laktobacila a Clostridium septicum. V doktorské disertaci (Studies in the Biochemistry of Microorganisms. Ph.D. Dissertation, University of Wisconsin, Madison 1934) popsal stimulaci Clostridium septicum bramborovým výtažkem, později určeným jako asparagin. Nato se oženil s kolegyní ze studií June Altonovou a později s ní měl dcery Margaret a Barbaru.

Jako vědecký pracovník – biochemik se pak na Wisconsinské univerzitě podílel na výzkumu úlohy vitaminů ve výživě mikrobů, jehož výtěžkem byl průkaz, že thiamin je růstovým faktorem bakterií (Growth Factors for Bacteria. V. Vitamin B₁, a Growth Stimulant for Propionic Acid Bacteria. Biochem J 1936; 30: 1898–1904 (s Woodem a Petersonem)). Průkopnická práce potvrdila poučku srovnávací biochemie, že stavební kameny živé hmoty jsou v chemických strukturách a pochodech přítomny u všech forem života, a Tatumovi přinesla poznání, že živočišný metabolismus lze zkoumat už od mikrobů. Když dostal stipendium na jednoroční studium bakteriologické chemie na univerzitě v nizozemském Utrechtu, vzal s sebou ženu a dceru Margaret a v akademickém roce 1936/37 pracoval v laboratoři, jejíž vedoucí Fritz Kögl nedávno purifikoval a krystalizoval biotin jako růstový faktor kvasinek.

Tehdy ho z Madisonu zpravili o tom, že genetik George Wells Beadle hledá pro svůj výzkumný program na Stanfordu biochemika k probádání tvorby očních pigmentů octomilky (Drosophila melanogaster), že však oni Tatumovi doporučují výzkum v perspektivní mlékařské mikrobiologii. Od přijetí Beadleovy nabídky ho odrazoval i otec Arthur v obavě, aby syn neskončil kdesi mezi obory jako „akademický sirotek“ – ani biochemik, ani mikrobiolog, ani genetik. Vzdor tomu však Tatum na podzim 1937 nastoupil v Ústavu biologických věd Stanfordovy univerzity jako výzkumník k extrakci prekurzorů pigmentů z larev octomilky, když ho mikrochemickým technikám v Kalifornském technologickém institutu v Pasadeně naučil chemik Arie Jan Haagen-Smit.

Předešlá Beadleova spolupráce s Borisem Ephrussim dospěla v roce 1936 k prvotnímu náčrtu biochemické dráhy očních pigmentů: prekurzor → v⁺ hormon („vermilionová“ látka) → cn⁺ hormon („cinnabarová“ látka) → hnědý oční pigment, načež výzkum pokračoval souběžně v Paříži a na Stanfordu. Poté, co Ephrussiho pařížská skupina dosáhla obnovy hnědého očního pigmentu bez implantace očních disků tím, že výživu mušek obohatila tryptofanem, konal Tatum pokusy s touto aminokyselinou na aseptických kulturách octomilek a z nechtěné bakteriální kontaminace jedné kultury vytěžil objev, že také bakterie druhu Bacillus tvoří z tryptofanu látku s „vermilionovou“ aktivitou (Development of Eye Colors in Drosophila: Bacterial Synthesis of v⁺ Hormone. Proc Natl Acad Sci USA 1939; 25: 486–490). Kultivoval bakterie na agaru s tryptofanem, sacharózou a mrtvými kvasinkami, potom extrahoval a krystalizoval aktivní látku (Crystalline Drosophila Eye Color Hormone, Science 1940; 91: 458 (s Beadlem)). Když pak počátkem roku 1941 po tříletém úsilí tento „vermilionový hormon“ určil (Identification of Drosophila v⁺ Hormone of Bacterial Origin. J Biol Chem 1941; 140: 575–580 (s Haagen-Smitem)), už tím jen potvrdil výsledek studie německé skupiny Adolfa Butenandta, která také vyšla z poznání tryptofanu jako prekurzoru hnědého očního pigmentu, ale schůdnější cestou – soustavným testováním „vermilionové“ aktivity všech známých meziproduktů metabolismu tryptofanu včetně kynureninu, jejž v roce 1931 objevil Yahito Kotake v moči psů – o několik měsíců dříve (1940) identifikovala „vermilion“ jako L‑kynurenin.

Ztráta prvenství v usilovném průkopnickém výzkumu ukázala potřebu najít jednodušší, snadno kultivovatelný, biochemicky probádaný organismus s jednoduchou sadou chromozomů a krátkým životním cyklem. Beadle s Tatumem zjistili, že všechny tyto požadavky splňuje plíseň Neurospora crassa, rostoucí na minimální půdě s obsahem anorganických solí, sacharózy a biotinu. Přeorientovali tedy svůj program a už v únoru 1941 ozařovali kultury plísně paprsky X, aby poškozením genů vyvolali biochemickou poruchu projevující se nutriční deficiencí. Z tisíce kultur pak testováním na ochuzených půdách izolovali nutričně závislé mutanty, a tak u 299. vzorku našli deficienci pro pyridoxin a u 1085. vzorku deficienci pro thiamin. Křížením těchto mutantů navzájem, s jinými mutanty i s kmeny „divokého“ typu odhalili lokalizaci mutací na chromozomech neurospóry, prokázali, že každý enzym je kódován svým genem, a potvrdili tak svou hypotézu „jeden gen, jeden enzym“. V květnu 1941 odevzdali k publikaci tuto převratnou studii, v níž plíseň Neurospora crassa povýšili na ústřední objekt genetického výzkumu (Genetic Control of Biochemical Reactions in Neurospora. Proc Natl Acad Sci USA 1941; 27: 499–506 (s Beadlem)).

Už od práce na octomilce zajímala Tatuma biosyntéza tryptofanu. V roce 1944 užil ke srovnávacímu studiu tryptofanáz kmen Escherichia coli K-12 s poruchou přeměny tryptofanu na indol a prokázal na něm, že stejné biochemické mutace jako u neurospóry lze indukovat i u bakterií (X‑ray Induced Growth Factor Requirements in Bacteria. Proc Natl Acad Sci USA 1944; 30: 404–410 (s Grayem)). Tatumova a Beadleova metodika základního výzkumu na chlebové plísni došla za II. světové války praktického uplatnění při masové výrobě penicilínu. Jejich dílo získávalo proslulost, v biologickém ústavu však Tatumova skromná kariéra potvrzovala otcovu předpověď o „akademickém sirotkovi“: skvělý biochemik, mikrobiolog i genetik v jedné osobě byl na pomezí oborů ve svém živlu a přitom služebně stagnoval. Nakonec Stanford opustil. Po semestru na zkoušku na Washingtonově univerzitě v Saint Louis přijal v roce 1945 místo mimořádného profesora botaniky na Yaleově univerzitě v New Haven s úkolem vybudovat program biochemické mikrobiologie.

V létě 1945 poslal výzkumník neurospóry a bývalý Tatumův doktorand Francis Joseph Ryan z Kolumbijské univerzity v New Yorku studenta druhého ročníku medicíny Joshuu Lederberga, aby Tatumovi předestřel svůj plán výzkumu genetické rekombinace u bakterií. Tatum pozval mladíka na Yale a od března 1946 spolu studovali bakterii Escherichia coli, o níž panovala domněnka, že se množí nepohlavně. Křížili trojitého mutanta, jemuž chyběly růstové faktory threonin, leucin a thiamin, s jiným trojitým mutantem, závislým na dodávce fenylalaninu, cysteinu a biotinu. Výsledkem byly nutričně nezávislé divoké kmeny, které přitom v čistých kulturách trojitých mutantů nikdy nenašli, jejich výskyt ve smíšených kulturách tedy nemohl být výsledkem zvratu oněch tří mutací. Po smíšení kultur dvou různých mutantů vyrostl třetí kmen s vlastnostmi obou původních. Studiem nutričních mutací escherichie prokázali Tatum a Lederberg, že bakterie se množí pohlavně genetickou rekombinací (Gene Recombination in Escherichia coli. Nature 1946; 158: 558 (s Lederbergem)). Tatum opět ovlivnil vývoj experimentální biologie, když novým pokusným objektem molekulární genetiky učinil bakterii Escherichia coli, pro výzkum ještě výhodnější než neurospóra.

Na Yaleově univerzitě s dosud vládnoucí morfologicko-systematickou tradicí však marně prosazoval biochemické zaměření výzkumu. Když tedy roku 1948 dostal ze Stanfordu nabídku řádné profesury na ústavu, odkud ho před třemi roky nechali odejít, přijal ji. Ve své druhé stanfordské éře probojovával orientaci lékařského kurikula na výzkum, budoval ústav biochemie a zasloužil se o přemístění lékařské fakulty ze San Franciska do kampusu v Palo Alto, čímž přispěl k vzestupu Stanfordovy univerzity k postavení nejpřednějšího střediska americké vědy. Do výzkumu escherichie zapojoval studenty, sám jako badatel přitom neopouštěl svou celoživotní lásku – neurospóru (Biochemical Mutant Strains of Neurospora Produced by Physical and Chemical Treatment. Am J Bot 1950; 37: 38–46 (s Barrattem, Friesem a Bonnerem).

V roce 1956 byl jmenován profesorem biochemie a přednostou ústavu, právě tehdy však také ztroskotalo manželství s June. Dne 16. prosince se Tatum v New Yorku oženil s pracovnicí Národní nadace Violou Kantorovou, skončil své působení na Stanfordu a v lednu 1957 se stal profesorem newyorského Rockefellerova institutu pro lékařský výzkum (od roku 1965 Rockefellerovy univerzity), kde pokračoval v úsilí poznat na molekulární úrovni, jak geny určují vlastnosti živých organismů (Molecular Basis of the Cause and Expression of Somatic Cell Variation. J Cell Comp Physiol 1958; 52: 313–336). Většinu svých sil však věnoval administrativním povinnostem a péči o vědecký dorost.

Dne 10. prosince 1958 se Tatum a Beadle podělili o polovinu Nobelovy ceny za fyziologii nebo lékařství „za svůj objev, že geny působí regulací určitých chemických pochodů“, druhou polovinu dostal Lederberg „za své objevy genetické rekombinace a organizace genetického materiálu u bakterií“. V úvodním projevu ve Stockholmu zmínil profesor Torbjörn Oskar Caspersson z Karolinského institutu, jak Tatum a Beadle přispěli k poznání podstaty a působení genů, když ozařováním měnili dědičnou informaci neurospóry, pomocí mutantů ozřejmili jednotlivé kroky syntézy aminokyselin a prokázali, že každý krok je katalyzován enzymem kódovaným příslušným genem, jehož poškození ozářením způsobuje ztrátu enzymové aktivity, a jak Tatum s Lederbergem prokázal, že křížením lze tvořit potomstvo s novými genetickými vlastnostmi i u bakterií. O den později – 11. prosince pak Tatum pronesl přednášku „A Case History in Biological Research“, v níž přehlédl dějiny biochemické genetiky ve svém díle. V závěru předpověděl brzké rozluštění kódu DNA, což „umožní zušlechťovat všechny živé organismy pomocí postupů, které bychom mohli nazvat biologickým inženýrstvím“ (A Case History in Biological Research. Science 1959; 129(3365): 1711–1715).

Studium neurospóry rozšířil o výzkum cytoplazmatické dědičnosti, když v roce 1965 prokázal přenos genetické informace mitochondriemi (A Cytoplasmic Character in Neurospora crassa. The role of Nuclei and Mitochondria. J Cell Biol 1965; 26: 427–443 (s Diacumakosem a Garnjobstovou)). Neurospóře patřil jeho badatelský zájem i nadále (A Survey of New Morphological Mutants in Neurospora crassa. Genetics 1967; 57: 579–604 (s Garnjobstovou), Effect of L-Sorbose on Polysaccharide Synthetase of Neurospora crassa. Proc Nat Acad Sci USA 1972; 69: 313–317 (s Mishrou)).

Nositel Remsenovy ceny a čestný doktor řady univerzit působil v mnoha vědeckých společnostech (v Národní akademii věd, Americké asociaci pro pokrok vědy, Americké filozofické, chemické, biochemické, botanické i genetické společnosti, Harveyově společnosti – jejím předsedou byl 1964/65), v poradních výborech Národní nadace, Národní výzkumné rady i Americké společnosti pro rakovinu, byl členem redakčních rad (Science, Annual Review of Genetics), angažoval se za podporu tvořivého talentu pomocí stipendií, za rozvoj mezinárodní vědecké spolupráce (zejména s Japonskem) a kontrolu porodnosti (v reakci na encykliku papeže Pavla VI. organizoval v letech 1965 a 1966 veřejná vystoupení laureátů Nobelovy ceny na podporu plánovaného rodičovství).

Závěr Tatumova života poznamenalo zhoršující se zdraví, jež sám vydatně podrýval nemírným kouřením, a ztráta druhé manželky Violy. Po její smrti 21. dubna 1974 se ještě téhož roku oženil potřetí s Elsie Berglandovou a 5. listopadu 1975 ve svém bytě v newyorské Východní 63. ulici zemřel na selhání srdce při vleklé rozedmě plic. V dějinách vědy má místo po boku George W. Beadlea jako spoluzakladatel moderní biochemické genetiky. 

MUDr. Pavel Čech

Kabinet dějin lékařství 3. LF UK

Ruská 87, 100 00 Praha 10

e-mail: pavel.cech@lf3.cuni