WERNER ARBER

(* 1929)

V roce 1978 získali Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu Švýcar Werner Arber a Američané Daniel Nathans a Hamilton Othanel Smith – tři molekulární biologové, kteří se zasloužili o poznání restrikčních enzymů.

Prvních 16 let svého života od narození 3. června 1929 prožil Werner Arber ve vsi Gränichen u městečka Aarau, střediska severošvýcarského kantonu Aargau. V letech 1945–1949 vystudoval gymnázium ve Staré kantonální škole v Aarau, v letech 1949–1953 přírodovědu na Eidgenossische technische Hochschule v Curychu. Tam v posledním ročníku při práci na izolaci a charakterizaci radioaktivního izotopu chlóru ³⁴Cl vstoupil poprvé na pole základního výzkumu. Profesor experimentální fyziky Paul Scherrer pak doporučil jeho přijetí k postgraduálnímu studiu biofyziky na Ženevské univerzitě.

Jako výzkumný asistent pro elektronovou mikroskopii od listopadu 1953 věnoval Arber v ženevské biofyzikální laboratoři mnoho času péči o provozuschopnost vrtošivého prototypu mikroskopu přezdívaného „Arthur“ a ve volných chvílích se podílel na vývoji technik přípravy biologických vzorků pro elektronovou mikroskopii i k pronikání do tehdy ještě mladé fyziologie a genetiky bakteriofágů. Té se v laboratoři vedené Eduardem Kellenbergerem dařilo, neboť z Kalifornského technologického institutu v Pasadeně se sem vždy na léto vracel bývalý ženevský profesor experimentální fyziky a tvůrce prvního elektronového mikroskopu švýcarské výroby Jean-Jacques Weigle, nyní už pod vlivem Maxe Delbrücka molekulární biolog zkoumající bakteriofága lambda a pořizující jeho vůbec první elektronogram právě v Ženevě.

Weigleovy studie variací bakteriofágů, Luriův objev hostitelem řízené variace fágů i objev specializované transdukce Morseem a manžely Lederbergovými přitáhly Arbera od elektronové mikroskopie natrvalo k molekulární genetice. V přípravě k doktorské práci prokázal, že transdukce zprostředkovaná fágem lambda spočívá v tvorbě substitučních mutant s náhradou části fágové DNA částí bakteriálního chromozomu, což fágové deriváty činí tak defektními, že už nejsou schopny množit se jako virus (La défectuosité du phage Lambda transducteur. Schweiz Z Pathol Bakteriol 1957; 20: 659–665; s Grete Kellenbergerovou a Weigleem).

Po obhájení doktorské práce (Transduction des caractères Gal par le bactériophage Lambda. Arch Sci (Genève) 1958; 11: 259–338) v létě roku 1958 dostal Arber příležitost zdokonalit se v laboratorních technikách na Jihokalifornské univerzitě v Los Angeles, kde Weigleův bývalý spolupracovník Giuseppe (Joe) Bertani před 5 lety izoloval a charakterizoval kolifága P1. Tohoto zprostředkovatele obecné transdukce použil Arber u Bertaniho ke studiu transdukce genomů profága lambda i plasmidu F. Jeho francouzská práce mezitím pronikala do anglofonního světa vědy a přinášela mu z předních laboratoří pozvání, jimž neodolal: Do Ženevy se přes Kellenbergerovo naléhání vrátil až po několikatýdenních pobytech u Gunthera Stenta v Berkeley, u Joshuy Lederberga na Stanfordu a u Salvadora Lurii v Massachusettském technologickém institutu.

Počátkem roku 1960 se ujal vedení výzkumu účinků záření na mikroorganismy, podporovaného Švýcarskou národní nadací pro vědu. Směr bádání mu však bezděky určila Grete Kellenbergerová, pozorující rychlou degradaci DNA z ozářeného fága po infekci hostitelské bakterie. Arbera tento jev zaujal také, začal jej zkoumat s doktorandkou Daisy Dussoixovou a během jednoho roku zjistil, že kmenově specifická restrikce a modifikace přímo postihuje DNA, mutace však nepůsobí, a že restrikce a modifikace patří k výzbroji bakteriálních kmenů a účinkují na fágovou i buněčnou DNA. Arber nálezy předběžně ohlásil na 1. mezinárodním biofyzikálním kongresu ve Stockholmu v létě 1961 (Host Specificity of the DNA of Bacteriophage Lambda. In: Internat Biophys Congr Stockholm 1961, Abstracts; s Dussoixovou) a v následujícím roce podrobně referoval, že částice bakteriofága lambda nesou hostitelskou specificitu určenou bakteriálními kmeny, v nichž jsou produkovány, že po infekci odlišného bakteriálního hostitele může být DNA fága na základě této specificity buď přijata (pak se fág množí a produkuje potomstvo), nebo odmítnuta, a že potomstvo, na něž je rodičovská fágová DNA přenesena, získává i specificitu rodičovského hostitele, kdežto potomstvo obsahující jen nově syntetizovanou DNA získává pouze specificitu nového bakteriálního hostitele (Host Specificity of DNA Produced by Escherichia coli. 1. Host Controlled Modification of Bacteriophage lambda.J Mol Biol 1962; 5: 18–36; s Dussoixovou, Id. 2. Control over Acceptance of DNA from Infecting Phage lambda. Ibid. 1962; 5: 37–49; s Dussoixovou). Rozšířenou verzi studie pak Arber předložil jako habilitační práci a téhož roku za ni obdržel Plantamour-Prévostovu cenu Ženevské univerzity.

Při dvouměsíční stáži u Stenta na Kalifornské univerzitě v Berkeley v roce 1963 zaujala Arbera Stentova úvaha o metylaci DNA jako možném základu modifikačního otisku. Podnítila studii, v níž Arber prokázal, že tvorba otisku v DNA vyžaduje přítomnost methioninu v živné půdě, a potvrdil, že před restrikcí chrání bakterie svou DNA poreplikační metylací nukleotidů v místech sloužících restrikčně-modifikačnímu systému k rozpoznávání specificity (Host Specificity of DNA Produced by Escherichia coli. V. The Role of Methionine in the Production of Host Specificity. J Mol Biol 1965; 11: 247–256). V roce 1965 byl Arber na ženevské univerzitě jmenován mimořádným profesorem molekulární genetiky. Rok nato se oženil a s manželkou Antonií měl pak dcery Silvii (1968), budoucí profesorku neurobiologie, a Carolinu (1974).

Dospěl k představě, že restrikce a modifikace jsou katalyzovány specifickými restrikčními a modifikačními enzymy, že DNA má specifická vazebná místa pro oba typy enzymů, z nichž endonukleáza rozpoznává specifické sekvence nukleotidů, na specifických místech těchto nukleotidů štěpí DNA vniknuvších fágů a brání tak jejich množení, kdežto metyláza modifikuje DNA hostitele metylací nukleotidů, čímž ji chrání proti hostitelově vlastní endonukleáze, zatímco nemetylovaná cizí DNA je ničena. Svou teorii dvou enzymů restrikčně-modifikačního systému potvrdil s biofyzikem Ursem Kühnleinem izolací fágů, které se mutací na specifických rozpoznávacích místech staly rezistentními vůči štěpení (Mutational Loss of the B-Specific Restriction in Bacteriophage fd. Pathol Microbiol 1967; 30; 946–952; s Kühnleinem).

V roce 1968 se Stuartem Linnem objevil restrikční endonukleázu v bakterii Escherichia coli B, purifikoval ji a zjistil nezbytnost přítomnosti sulfadenozylmethioninu jako koenzymu (Host Specificity of DNA Produced by Escherichia coli. X. In vitro Restriction of Phage fd Replicative Form. Proc Natl Acad Sci USA 1968; 59: 1300–1306; s Linnem). Zanedlouho pak prokázal štěpení nemetylované DNA fágů restrikčními enzymy hostitelských buněk na četných místech, což brání množení fágů (DNA Modification and Restriction. Ann Rev Biochem 1969; 38: 467–500; s Linnem).

Přes badatelské úspěchy nebyl na Ženevské univerzitě spokojen. Zažíval tu zklamání akademickou politikou i nezájmem studentů o molekulární biologii a výzkum vůbec. Když tedy v roce 1968 dostal nabídku profesury z Basileje, opustil Ženevu a 2 roky nato a po hostování v Ústavu molekulární biologie Kalifornské univerzity v Berkeley nastoupil v roce 1971 jako řádný profesor a přednosta Ústavu molekulární biologie v novém Biocentru Basilejské univerzity.

Do té doby už molekulární biologové objevili v bakteriích stovky restrikčních enzymů, použitelných k identifikaci, štěpení i lepení fragmentů nukleových kyselin, což značně urychlilo biologický výzkum a biotechnologický rozvoj. Arber v roce 1977 vyslovil předpoklad dalších funkcí restrikčních enzymů v buňce (What is the Function of Restriction Enzymes? Trends Biochem Sci 1977; 2: N176–N178).

Nobelovou cenou za fyziologii nebo medicínu byli v roce 1978 „za svůj objev restrikčních enzymů a jejich uplatnění v otázkách molekulární genetiky“ poctěni Werner Arber a molekulární biologové Daniel Nathans a Hamilton Othanel Smith z Univerzity Johnse Hopkinse – Arber za objev restrikčních enzymů při analýze hostitelem řízené modifikace a za předpověď jejich vazby na periodické stavební prvky DNA fága k obraně buňky proti cizím genům, Smith za ověření Arberovy hypotézy purifikovaným bakteriálním restrikčním enzymem a za průkaz, že tento enzym štěpí DNA uprostřed určité symetrické sekvence a různé restrikční enzymy rozpoznávají různé sekvence, a Nathans za průkopnické uplatňování restrikčních enzymů v genetice, za konstrukci první genetické mapy štěpením DNA opičího viru SV40 restrikčními enzymy a za vypracování příslušné metodologie pro podrobné mapování.

Dne 8. prosince 1978 měl Arber ve Stockholmu nobelovskou přednášku (Promotion and Limitation of Genetic Exchange. Science 1979; 205: 361–365) a 10. prosince 1978 řekl profesor Peter Reichard z Karolinského lékařsko-chirurgického institutu v prezentačním projevu, že genetika zrozená před více než 100 lety v pokusech Gregora Mendela a dospěvší k poznání úlohy DNA v genetické informaci vstoupila díky objevům trojice laureátů do nové éry.

V následujících letech se Arber zaměřil na genetické systémy a jejich diverzifikaci. Objev transpozonů ho vedl k úvahám o vysvětlení výskytu rozmanitých bakteriálních genetických kódů během evoluce genetickou výměnou při transpozici (Genesis and Natural History of IS-Mediated Transposons. Cold Spring Harbor Symp Quant Biol 1981; 45 Pt 1: 27–43; s Iidou a Meyerem). Podílel se na rozpravách k přípravě směrnic Národních ústavů zdraví pro bezpečný výzkum rekombinantní DNA. V úvodním článku sborníku ze sympozia o dopadu genetické manipulace na člověka a společnost volal po realistickém hodnocení rizik, omezených těmito směrnicemi na minimum (Genetic Manipulation: Impact on Man and Society. Cambridge University Press 1984; spolueditoři Illmensee, Peacock a Starlinger). Otázkám civilizačních důsledků pokroku vědy a techniky se věnuje trvale (The Impact of Science and Technology on the Civilization. Biotech Adv 2009; 27: 940–944).

V lednu 2011 ho papež Benedikt XVI. jako prvního protestanta v dějinách jmenoval prezidentem Pontifikální akademie věd. Ke snahám vykládat tohoto věřícího křesťana jako skeptika vůči darwinismu a vyznavače „inteligentního plánu“ se Arber sám vyjádřil zřetelně: „Stojím plně za neodarwinovskou teorií biologické evoluce a přispěl jsem k potvrzení a šíření této teorie na molekulární úrovni tak, že nyní může být zvána molekulárním darwinismem.“

MUDr. Pavel Čech

Kabinet dějin lékařství 3. LF UK

Ruská 87, 100 00 Praha 10

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