Laureáti Nobelovy ceny

V roce 1968 získali Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu tři američtí badatelé na poli genetiky – biochemici Robert William Holley, Har Gobind Khorana a Marshall Warren Nirenberg.

MARSHALL WARREN NIRENBERG (1927–2010)

Od narození 10. dubna 1927 až do svých 14 let žil Marshall Warren Nirenberg v New York City, ale když tam onemocněl revmatickou horečkou, rozhodli se rodiče, krejčí Harry Edward Nirenberg a Minerva rozená Bykowsky, změnit jemu i jeho sestře Joan podnebí. V roce 1941 se rodina přestěhovala do Orlanda na Floridě, kterou Marshall později nazval „přírodním rájem“ a rád vzpomínal na roky strávené v jeskyních a močálech při lovu pavouků.

Bylo pak přirozené, že v roce 1944 začal na Floridské univerzitě v Gainesville studovat zoologii. Během 4 let studií vyučoval jako asistent po 2 roky biologii a jako výzkumný asistent v laboratoři výživy sbíral po nějaký čas zkušenosti se značkováním látek radioizotopy a stopováním jejich aktivity v chemických reakcích. Po zisku bakalaureátu zoologie v roce 1948 studoval v Gainesville další 4 roky, přitom rok pracoval v laboratoři výživy a napsal magisterskou dizertaci o taxonomii a ekologii chrostíků (Trichoptera), hmyzu, který dobře znal už z Orlanda (The Caddis Flies of Alachua County, with Notes on Those of Florida). Za tuto práci dosáhl v roce 1952 magisteriátu zoologie.

Potom na Ústavu biochemie Michiganské univerzity v Ann Arboru jako vyučující doktorand u Jamese F. Hogga zkoumal metabolismus nádorových buněk a v roce 1957 obhájil doktorskou dizertaci o osudu hexóz v těchto buňkách (Hexose Uptake in Ascites Tumor Cells).

Ty zůstaly předmětem jeho badatelského zájmu nejen v Ann Arboru (Inhibition of Anaerobic Glycolysis in Ehrlich Ascites Tumor Cells by 2-deoxy-D-glucose. Cancer Res 1958; 18: 518–521; s Hoggem), ale v následujících 2 letech i v marylandské Bethesdě, kde díky grantu Americké rakovinové společnosti pracoval u DeWitta Stettena mladšího v Národním ústavu pro revmatické, metabolické a trávicí choroby, součásti Národních zdravotních ústavů (An Enzymic Defect in Ascites-Tumor Cells. Biochim Biophys Acta 1958; 30: 203–204. A Biological Characteristic of Ascites Tumor Cells. J Biol Chem 1959; 234: 3088–3093).

Pro další rok v Bethesdě získal grant sekce pro metabolické enzymy Veřejné zdravotní služby a začal tu zkoumat vztah mezi DNA, RNA a tvorbou bílkovin. Od objevu role DNA jako „transformujícího principu“ Oswaldem Averym v roce 1944 přes konstrukci dvojité šroubovice DNA Francisem Crickem a Jamesem Watsonem v roce 1953 se poznání molekulárního základu života značně prohloubilo, záhadou však stále zůstávaly replikace DNA během buněčné reprodukce i exprese genetické informace. Mnozí badatelé předpokládali interakci mezi DNA a RNA, ale ani bakteriální genetici jako Joshua Lederberg, ani proteinoví chemici jako Christian Anfinsen k její podstatě dosud nepronikli. Otázka, co je vlastně úlohou RNA, zaměstnávala i Nirenberga. Navštěvoval proto večerní kurzy genetiky pro pracovníky Národních zdravotních ústavů, kteří se zajímali o mezioborový výzkum. Formálně však v molekulární genetice nebyl odborně vyškolen a jeho naivní vstup na cizí pole považovali mnozí za profesionální sebevraždu.

V roce 1960 se Nirenberg jako biochemik – výzkumník stal natrvalo pracovníkem Národního ústavu pro revmatické, metabolické a trávicí choroby. A v téže době přišel z Cornellovy univerzity do Bethesdy bonnský postdoktorand Johann Heinrich Matthaei, biochemik o 2 roky mladší než Marshall. Tito dva spolu studovali nukleotidy tvořící molekulu DNA (adenosin, cytosin, guanin a thymin) a RNA (adenosin, cytosin, guanin a uracil). Vytvořili syntetický polynukleotid sestávající ze sérií tří jednotek uracilu (UUU, poly-U) a zjistili, že jeho působení na materiál cytoplazmy bakterie Escherichia coli mělo za následek tvorbu aminokyselinového řetězce sestávajícího pouze z fenylalaninu. Dne 15. května 1961 Nirenberg s Matthaeiovou rovnocennou pomocí pochopil, že UUU je kódovým slovem pro identifikaci fenylalaninu, a těmito pokusy prokázal, že syntézu bílkovin z aminokyselin řídí RNA („messenger RNA“) přenášející genetickou informaci z DNA.

Dva měsíce nato, 14. července 1961, uzavřel Marshall sňatek s kolegyní Perolou Zaltzmanovou, rovněž biochemičkou Národních zdravotních ústavů. Hned v srpnu 1961 se v Moskvě konal V. mezinárodní kongres biochemie. V poslední chvíli přihlášený, dodatečně proto mimo hlavní program zařazený referát neznámého Nirenberga o výsledcích experimentů s poly-U byl vyslechnut sotva třiceti kolegy a v záplavě příspěvků zapadl. O tom, že jacísi dva Američané mají klíč k možnému objasnění jedné z největších záhad molekulární genetiky, se však doslechl na kongresu přítomný Francis Crick. Přemluvil organizátory, aby Marshallovi dovolili opakovat přednášku před tisícihlavým plénem, a dosud bezvýznamný a nesmělý biochemik z Bethesdy opouštěl Moskvu jako slavný vědec. Úspěch přednášky zasadil poslední těžkou ránu dožívajícímu protimendelovskému a protimorganovskému lysenkoismu, který dlouho dusil i českou genetiku a její průkopníky B. Seklu, K. Hrubého i F. Kříženeckého. Několik Nirenbergových publikací v rychlém sledu (The Dependence of Cell-Free Protein Synthesis in E. coli upon RNA Prepared from Ribosomes. Biochem Biophys Res Commun 1961; 4: 404–408; s Matthaeiem. Characteristics and Stabilization of DNAase-Sensitive Protein Synthesis in E. coli Extracts. Proc Natl Acad Sci USA 1961; 47: 1580–1588; s Matthaeiem. The Dependence of Cell-Free Protein Synthesis in E. coli upon Naturally Occurring or Synthetic Polyribonucleotides. Proc Natl Acad Sci USA 1961; 47: 1588–1602; s Matthaeiem) vyvolalo pak závody o vyluštění zbytku genetického kódu mezi Brennerem, Ochoou, Crickem a dalšími.

V roce 1962 byl Nirenberg jmenován přednostou oddělení biochemické genetiky Národního kardiologického ústavu. Tehdy odešel Matthaei z Bethesdy a Nirenberg pokračoval ve studiu genetického kódu se skupinou asi dvaceti postdoktorandů a laborantů včetně Normy Heatonové, která zůstala v sestavě skupiny 40 let. Podle vzoru pokusu s poly-U experimentoval dále se syntetickou RNA a v tripletu AAA (tři adenosiny) objevil kódové slovo pro aminokyselinu lysin, dále v tripletu CCC (tři cytosiny) objevil kódové slovo pro aminokyselinu prolin, naopak triplet GGG (tři guaniny) se ukázal jako zcela neúčinný (Qualitative Survery of RNA Codewords. Proc Natl Acad Sci USA 1962; 48: 2115–2123; s Jonesem). V letech 1964 a 1965 vyvinul Nirenbergův postdoktorand Philipp Leder důmyslný filtrační přístroj užitečný při stanovování pořadí nukleotidů v kodonech, což urychlilo proces určování kódových slov pro aminokyseliny.

Jak závod o rozluštění genetického kódu spěl v roce 1965 k závěru (než uplynul rok 1966, podařilo se Nirenbergovými a Khoranovými technikami dešifrovat všech 64 kodonů RNA pro všech 20 aminokyselin), rozhlížel se Nirenberg po nových vědeckých záhadách, během následujících 4 let obrátil svůj zájem a přeorientoval svou laboratoř z výzkumu DNA-RNA-bílkovinné soustavy pro příjem, ukládání a předávání genetické informace na výzkum mozku, jediné další soustavy pracující s informací, a to smyslovou a myšlenkovou (stejný posun v badatelské orientaci od molekulární biologie k neurobiologii prodělali Seymour Benzer, Sydney Brenner, Julius Adler, Gunther Stent, Max Delbrück, Francis Crick i Cyrus Levinthal). Nirenberga zejména zaujalo studium neuroblastomů, protože jejich buňky se na rozdíl od plně vyvinutých neuronů dělí. Přijal je jako model vývoje neuronů a příležitost studovat neurotransmitery v mozku a zkoumáním jejich syntézy poznávat podrobnosti zpracování informace v nervové soustavě. Nové perspektivy otevírající se genetickému inženýrství podnítily Nirenberga k napsání úvodníku, v němž říká: „Když člověk nabývá schopnosti poroučet vlastním buňkám, musí potlačovat nutkání k tomu, dokud není dostatečně moudrý, aby svých znalostí užíval k prospěchu lidstva …“ (Will Society Be Prepared? Science 1967; 157: 633).

V roce 1968 byl Nirenberg „za svůj výklad genetického kódu a jeho funkce v syntéze bílkovin“ (konkrétně za rozluštění genetického kódu pro fenylalanin, později pro lysin a prolin) vyznamenán třetinovým podílem na Nobelově ceně za fyziologii nebo medicínu. Dalšími podílníky pak byli madisonský biochemik původem z Paňdžábu Har Gobind Khorana za potvrzení Nirenbergova objevu a konečné prolomení celého kódu pro syntézu bílkovin a biochemik Robert William Holley z Cornellovy univerzity za izolaci a charakterizaci transferové RNA. Na stejně zasloužilého Matthaeiho se nedostalo.

Na slavnostním shromáždění ve Stockholmu 10. prosince 1968 představil laureáty králi a Královské švédské akademii věd profesor Karolinského lékařsko-chirurgického institutu Peter Reichard. Úvodem připomněl zrození genetiky jako vědy v nadlouho zapomenutém poznání brněnského augustiniána Gregora Mendela z pokusů s křížením hrachu, že děděné znaky jsou určovány „elementy“ dědičnosti (1866), připomněl také izolaci „nukleinu“ z buněčných jader Švýcarem Friedrichem Miescherem (1868), aniž kdo souvislost mezi oběma objevy tušil, dále zmínil zásluhu Švéda Einara Hammarstena o probuzení vědeckého zájmu na počátku čtyřicátých let 20. století a průkaz Američana Oswalda Averyho, že nikoli bílkovina, nýbrž nukleová kyselina obsahuje genetickou informaci (1944), z čehož povstala molekulární biologie, jejíž výzkum je v roce 1968 Nobelovou cenou vyznamenáván už popáté od roku 1958. Reichard vystihl význam Nirenbergovy syntézy jednoduché nukleové kyseliny pro rozluštění prvního znaku genetického kódu (1961) i Nirenbergův a zejména Khoranův přínos pro konečné rozluštění celého genetického kódu v následujících letech, zatímco Holley objevil nukleovou kyselinu převádějící genetický kód do abecedy bílkovin, připravil ji v čisté formě a konečně v roce 1965 určil její přesnou chemickou stavbu – u biologicky aktivní nukleové kyseliny vůbec poprvé. Dne 12. prosince 1968 měl Nirenberg nobelovskou přednášku (The Genetic Code. Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1963–1970. Amsterdam: Elsevier Publishing Company 1972; 372–395). Téhož roku dostal od prezidenta USA Lyndona B. Johnsona Národní medaili cti.

V letech po Nobelově ceně setrval Nirenberg v obratu od genetiky k neurobiologii a v roce 1973 začal s Wernerem Kleeem studovat účinky morfinu na nervovou soustavu (Mode of Action of Endogenous Opiate Peptides. Nature 1976: 609–612; s Kleeem). Ve snaze porozumět počáteční strategii budování nervové soustavy a diferenciace neuroblastů začal v roce 1989 u octomilky (Drosophila melanogaster) studovat homeoboxový gen vnd/NK-2, jehož exprese zapíná úplně první krok neurálního vývoje v části centrálního nervového systému embrya mušky. V roce 2001 byl zvolen za člena Americké filozofické společnosti. V témže roce zemřela po 40 letech manželství jeho žena Perola. Dne 23. prosince 2005 se vdovec Nirenberg oženil s profesorkou Kolumbijské univerzity a přednostkou Ústavu klinicko-genetické epidemiologie Psychiatrického institutu státu New York Myrnou Weissmanovou. Stal se tak otčímem jejího syna Jonathana a dcer Judith, Sharon a Susan.

Při pracovní návštěvě České republiky, zajišťované Ústavem živočišné fyziologie a genetiky Akademie věd, ve dnech 23. až 29. dubna 2006 vystoupil Nirenberg s přednáškou (Regulation of Axon Formation by Clonal Lines of a Neural Tumor) v Masarykově onkologickém ústavu v Brně a na 1. lékařské fakultě Univerzity Karlovy v Praze. Dne 25. dubna 2006 přijal v brněnském Dietrichsteinském paláci Mendelovu pamětní medaili za rozvíjení Mendelova vědeckého odkazu, kterou mu udělilo Mendelianum Moravského zemského muzea v Brně, načež přednesl svou „Mendel Lecture“ (Deciphering the Genetic Code) a diskutoval s odborníky, studenty i veřejností. O zakladateli genetiky řekl: „Stojíme na ramenou gigantů, kteří tu byli před námi. Mendel je beze všech pochybností jedním z nich.“ Na Nirenbergovu počest uspořádal nakonec předseda Akademie věd ČR prof. Václav Pačes slavnostní večeři v pražské Lannově vile.

Marshall Warren Nirenberg se po celý život angažoval v mnoha záležitostech, v nichž cítil svou „nepopiratelnou odpovědnost“ občana, vědce a známé osobnosti. Na poli vědy byl přesvědčeným stoupencem výzkumu embryonálních kmenových buněk a terapeutického klonování a hlasitě požadoval vládní podporu vědě jako nezbytný předpoklad jejího pokroku. Do konce života byl přednostou oddělení biochemické genetiky Národních zdravotních ústavů. Přes četné nabídky profesur a vedoucích míst z prestižních institucí zůstal Bethesdě věrný po celé více než půlstoletí. Profesor Nirenberg zemřel 15. ledna 2010 na rakovinu ve svém newyorském bytě.

MUDr. Pavel Čech
Kabinet dějin lékařství 3. LF UK
Ruská 87, 100 00 Praha 10
e-mail: pavel.cech@lf3.cuni.cz