ALFRED DAY HERSHEY

V roce 1969 získali Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu tři američtí zakladatelé molekulární biologie – fyzik Max Delbrück, biochemik Alfred Day Hershey a lékař Salvador Edward Luria.

ALFRED DAY HERSHEY (1908–1997)

V automobilce v Lansingu, hlavním městě státu Michigan, pracoval jako skladník a v nedalekém městečku Owosso se svou ženou Almou rozenou Wilburovou žil Robert Day Hershey. Dne 4. prosince 1908 se jim v Owossu narodil syn Alfred Day. Chlapec vychodil základní a střední školu v rodišti a v Lansingu, potom v letech 1926–1930 vystudoval na Michiganské státní koleji chemii a po dosažení bakalareátu v roce 1930 tam s cílem dospět k doktorátu pokračoval ve studiu chemie. Pozdější zaujetí bakteriologií ho však v roce 1934 dovedlo k Ph.D. v tomto oboru, aniž se přitom od chemie odvrátil. V obou ústavech – bakteriologickém i chemickém – připravil doktorskou práci o chemii brucel, která pak byla publikována v Technickém bulletinu Michiganské zemědělské pokusné stanice (The Chemical Separation of Some Cellular Constituents of the Brucella Group of Micro-Organisms. PhD Thesis, Michigan State College. Technical Bulletin No. 137 of the Michigan Agricultural Experiment Station, 1934).

Alfred (pro přátele Al) byl pak přijat jako výzkumný asistent v Bakteriologickém ústavu Lékařské fakulty Washingtonovy univerzity v Saint Louisu ve státě Missouri. Začal tu spolupracovat s profesorem Jacquesem Jacobem Bronfenbrennerem, průkopníkem výzkumu bakteriofágů v USA hned od jejich objevu v roce 1915. V letech 1936–1939 spolu studovali růst bakteriálních kultur. Al, od roku 1938 „assistant professor“, experimentoval v období 1940–1944 s imunologickou reakcí fág-antifág (The Absolute Rate of the Phage-Antiphage Reaction. J Immunol 1941; 41: 299–319) i s jinými faktory ovlivňujícími infektivitu fágů. Během celého předválečného i válečného období publikoval téměř 30 článků, z toho polovinu jako jediný autor (už tehdy zřejmě dospěl k zásadě, že autorství přísluší těm, kdo pokusy konají, a nemá se získávat postavením, hodností, dokonce ani redigováním rukopisu). V roce 1942 byl jmenován „associate professor“.

V téže době studovali životní cyklus bakteriofága na Vanderbiltově univerzitě v Nashville Němec Max Delbrück a na Kolumbijské univerzitě v New Yorku Ital Salvador Luria. V intenzivní spolupráci prokázali, že rezistenci vůči fágu získává bakterie nikoliv adaptací, nýbrž mutací, a že mutace mohou vznikat náhodně a nezávisle na vnějším prostředí. Položili tím základ bakteriální genetiky a vytvořili standard pro analýzu a prezentaci experimentálních výsledků v genetickém výzkumu. Publikace saintlouiského Hersheye tehdy probudily jejich zájem. Al byl v roce 1943 pozván k přednášce v nashvillském univerzitním klubu a tam se s o 2 roky starším Maxem setkal. Delbrück ho pak Luriovi popsal: „Pije whisky, čaj ale ne. Prostý a věcný. Rád tráví tři měsíce na plachetnici, miluje nezávislost.“ Al se zakrátko do Nashvillu vrátil s pozváním pro Maxe na svou univerzitu a Max vyjednal i Luriovu spoluúčast. Tak se v dubnu 1943 v Saint Louisu uskutečnila „první fágová schůzka“ a zrodila se „fágová skupina“, která ve „fágové smlouvě“ vyzvala všechny badatele, aby v zájmu srovnatelnosti experimentálních výsledků z různých laboratoří soustředili výzkum na sedm bakteriofágů infikujících kmen B bakterie Escherichia coli. Čtvrtým členem skupiny se stal Thomas Foxen Anderson, autor první sady elektronmikroskopických snímků bakteriofágů E. coli s nečekanou hlavičkou a ocáskem.

Dne 15. listopadu 1945 se Al oženil s Harriet (často také Jill) Davidsonovou, o 10 let mladší bývalou výzkumnou asistentkou. Brzy nato, v roce 1946, současně s Maxem Delbrückem a nezávisle na něm prokázal, že když různé kmeny fágů infikují tutéž bakteriální buňku, mohou si vyměnit genetický materiál. Tak objevil genetickou rekombinaci, jak tento jev sám nazval (Spontaneous Mutations in Bacterial Viruses. Cold Spring Harbor Symp Quant Biol 1946; 11: 67–76). S Raquel Rotmanovou pokračoval v genetických analýzách fága T2 s výzkumem zřetězení (Linkage among Genes Controlling Inhibition of Lysis in a Bacterial Virus. Proc Natl Acad Sci USA 1948; 34: 89–96; s Rotmanovou) a potvrdil genetickou výměnu mezi fágy (Genetic Recombination between Host-Range and Plaque-Type Mutants of Bacteriophage in Single Bacterial Cells. Genetics 1949; 34: 44–71; s Rotmanovou).

V roce 1950 odešel ze Saint Louisu do Genetického oddělení Carnegieova ústavu v Cold Spring Harboru na Long Islandu ve státě New York a s manželkou se nastěhoval do domu vzdáleného pět mil od laboratoře. Harriet alias Jill se stala editorkou periodika Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology. Téhož roku jako oni přišla do Cold Spring Harboru také třiadvacetiletá Martha Cowles Chaseová, rodačka z Clevelandu a čerstvá bakalářka z Woosterské koleje v Ohiu. Stala se Hersheyovou laboratorní asistentkou a tehdy jedinou spolupracovnicí. Tato špatně placená technická síla neměla o své práci valného mínění. Přitom byla jako stvořena pro ideální souhru s nemluvným Alem dirigujícím ji namířeným ukazovákem v naprostém tichu téměř beze slov. Tak také spolu odpracovali a prožili experiment, jímž oba vešli do dějin vědy.

Byl založen na již známé skutečnosti, že fágové bílkoviny obsahují síru, ne však fosfor, kdežto fágová DNA obsahuje fosfor, ne však síru. Hershey s Chaseovou nejprve připravili dvě oddělené várky bakteriofága T2. Jednu z nich označkovali radioaktivní sírou, druhou radioaktivním fosforem (infikovali fágem senzitivní bakterie v kultivačním médiu obsahujícím radioaktivní izotop). Nechali proběhnout několik cyklů fágové reprodukce, čímž z každého původního fága vypěstovali tisíce radioaktivních fágů. Jimi pak infikovali čerstvou bakteriální kulturu. Stopovali izotopy během procesu infekce a zjistili, že bakteriofágy se k buněčné membráně bakterie přichytily svými bílkovinnými ocásky. Po dokonání infekce (tedy po několika minutách) promíchali suspenzi v kuchyňském mixéru, což podle Hersheyovy zkušenosti nepoškodilo bakterie, ale k ulámání fágů z jejich povrchu stačilo. Suspenze byla pak odstředěna k oddělení buněčné a tekuté složky. Ukázalo se, že bílkoviny fágů zůstaly na bakteriálním povrchu a v mixéru z něj byly odstraněny, kdežto DNA fágů pronikla do bakterií.

Tento „mixérový pokus“ vyjevil pravou podstatu procesu infekce bakterie fágem. Hershey jím s Chaseovou prokázal, že nikoli bílkovina, nýbrž DNA fága proniká do nitra bakterie, čímž prokázal, že genetickým materiálem bakteriofága i všech ostatních organismů je DNA. Potvrdil tak nálezy Oswalda T. Averyho, Colina MacLeoda a Maclyna McCartyho z roku 1944, v rozporu s tehdy panující představou o bílkovinné povaze genů a skeletní funkci nukleové kyseliny v chromozomech dokazující, že transformujícím materiálem je DNA. Článek o „mixérovém pokusu“ odevzdaný redakci 9. dubna 1952 vyšel 20. září (Independent Functions of Viral Protein and Nucleic Acid in Growth of Bacteriophage. J Gen Physiol 1952; 36: 39–56; s Chaseovou). Současně s jeho odevzdáním popsal Hershey pokus i v dlouhém dopisu Jamesi Watsonovi, ten pochopil otázku prostorové struktury DNA jako prvořadý úkol biologie a 11 měsíců poté už s Crickem zveřejnil konstrukci dvojité šroubovice.

V roce 1953 odešla Martha Chaseová z Cold Spring Harboru do Oak Ridge National Laboratory a odtud na Rochesterskou univerzitu. Každé léto však se do Cold Spring Harboru vracela na výroční shromáždění „fágové skupiny“. Pak se v Kalifornii vdala za kolegu Richarda Epsteina, na Jihokalifornské univerzitě v Los Angeles v roce 1959 začala a v roce 1964 obhájila doktorskou práci. Její manželství však brzy ztroskotalo a přišly další osobní rány: ztráta zaměstnání, předčasný konec vědecké kariéry a desítky let v demenci okrádající ji o krátkodobou paměť, než 8. srpna 2003 v Lorainu ve státě Ohio ukončila její život pneumonie. Trvalou připomínkou díla Marthy Chaseové zůstává název pokusu „Hershey-Chase experiment“.

Al, kterému se 7. srpna 1956 narodil syn Peter Manning Hershey, pokračoval ve výzkumu biochemické stavby a funkce DNA fága. Zjistil, že na rozdíl od DNA vyšších organismů je DNA fága jednovláknová a někdy kruhová (The Organization of Genetic Material in Bacteriophage T2. Brookhaven Symp Biol 1956; 8: 6–14). Nadto ukázal, že DNA se druh od druhu liší (Bacteriophages as Genetic and Biochemical Systems. Advances in Virus Research 1957; 4: 25–61). V roce 1958 obdržel Laskerovu cenu Americké asociace veřejného zdravotnictví „za objev základní role nukleové kyseliny v reprodukci virů a v přenosu zděděných znaků“ a byl zvolen do Národní akademie věd.

Přesná chemická povaha fágové DNA dosud nebyla prozkoumána, bylo třeba teprve se naučit extrahovat a purifikovat její molekuly. Al s Josephem D. Mandellem a Elizabeth Burgiovou připravoval homogenní DNA z fága T2. Byla velmi křehká. Při určitém zvýšení rychlosti míchání se lámala na kusy poloviční délky, při dalším zvýšení na kusy čtvrtinové délky. Fyzikální chování a křehkost DNA závisely na délce její molekuly (A Fractionating Column for Analysis of Nucleic Acids. Ann Biochem 1960; 1: 66–77; s Mandellem. Molecular Homogeneity of the Deoxyribonucleic Acid of Phage T2. J Mol Biol 1960; 2: 143–156; s Burgiovou). K vážení molekuly chyběla Alovi vlastní metoda, spojil proto síly se skupinou Irwina Rubensteina, která to uměla, a zjistil, že DNA fága T2 má molekulovou váhu 130 milionů a každý fág má pouze jednu molekulu DNA (The Molecular Weights of T2 Bacteriophage DNA and Its First and Second Breakage Products. Proc Natl Acad Sci USA 1961; 47: 1113–1122; s Rubensteinem a Thomasem).

V roce 1962 se stal ředitelem Genetického oddělení Carnegieovy instituce, přejmenovaného na Jednotku genetického výzkumu. V následujících letech tu s Elizabeth Burgiovou, Laurou Ingrahamovou a Annou Skalkovou věnoval zvláštní pozornost studiu DNA semikonzervativně se replikujícího lambdafága, jehož chromozomy nesou na obou koncích vzájemně komplementární jednovláknové 12nukleotidové segmenty (Cohesion of DNA Molecules Isolated from Phage Lambda. Proc Natl Acad Sci USA 1963; 49: 748–755; s Burgiovou a Ingrahamovou. Complementary Structure of Interacting Sites at the Ends of Lambda DNA Molecules. Proc Natl Acad Sci USA 1965; 53: 325–328; s Burgiovou), prokázal mozaikovou povahu nukleotidové skladby jeho chromozomu (Segmental Distribution of Nucleotides in the DNA of Bacteriophage Lambda. J Mol Biol 1968; 34: 1–16; se Skalkovou a Burgiovou) a svůj osobní podíl završil editorskou prací na monografii o tomto fágu (The Bacteriophage Lambda. New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1971).

V roce 1965 ho Národní akademie věd poctila Kimberovou cenou jako „projevem uznání jeho role ve vývoji moderní molekulární genetiky“. V roce 1969 dostali zakladatelé „fágové skupiny“ Delbrück, Hershey a Luria „za své objevy týkající se mechanismu replikace a genetické struktury virů“ Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu. Na slavnosti ve Stockholmu 10. prosince 1969 řekl profesor Karolinského ústavu Sven Gard v prezentační řeči, že pocta náleží na prvním místě Delbrückovi, který proměnil výzkum bakteriofágů z mlhavého empirismu v exaktní vědu, analyzoval a definoval podmínky pro přesné měření biologických jevů a spolu s Luriou vypracoval kvantitativní metody a stanovil statistická měřítka pro vyhodnocování, což umožnilo následující pronikavé studie. Gard řekl, že silnou stránkou těch dvou je teoretická analýza, kdežto Hershey je především nesmírně zručný experimentátor, a všechny tři prohlásil za skutečné zakladatele molekulární biologie. Dne 12. prosince 1969 měl Hershey nobelovskou přednášku typicky ve svém stylu: stručnou, jasnou, koncepční, vysoce technickou, bez pokusů o filozofování, plnou uznání pro jiné badatele na témže poli. Svou vlastní práci shrnul s příznačnou skromností stručně do tří závěrů: 1. každý virus obsahuje jednu molekulu DNA, 2. molekuly virové DNA jsou druhově specifické a totožné v každém viru jednotlivého druhu, 3. u různých virů se molekuly DNA liší v mnoha užitečných směrech (Idiosyncrasies of DNA Structure. Nobel Lecture. Science 1970; 168: 1425–1427).

Tento tichý, do sebe uzavřený muž, vyhýbající se davům a hluku a rušným společenským činnostem, skromný vědec a přitom po 12 let nebojácný vedoucí Jednotky genetického výzkumu Carnegieovy instituce, odešel odtud v roce 1974 na odpočinek, aby se oddával celoživotním zálibám v práci se dřevem, četbě, zahradničení a mořeplavbě. Když 22. května 1997 v Laurel Hollow u Cold Spring Harboru zemřel (na hřbitově při tamním kostele Sv. Jana vedle něho spočinuli v roce 1999 syn Peter Manning a v roce 2000 manželka Harriet), napsal jeho životopisec, člen fágové skupiny Franklin William Stahl: „Fágovou církev, jak jsme ji někdy nazývali, vedla trojice Delbrück, Luria a Hershey. Delbrücka činilo postavení zakladatele a vystupování ex cathedra samozřejmě papežem. Luria byl pracovitý, sociálně citlivý kněz-zpovědník. A Al byl světec.“

MUDr. Pavel Čech

Kabinet dějin lékařství 3. LF UK

Ruská 87, 100 00 Praha 10

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