НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1978 г. / ФИЗИОЛОГИЯ ИЛИ МЕДИЦИНА / ХАМИЛТЪН СМИТ

Хамилтън Смит (Hamilton Smith)

23 август 1931 г.

Нобелова награда за физиология или медицина (заедно с Вернер Арбер и Даниел Нейтънс)

(За откриването на рестрикционните ензими и за тяхното приложение към проблемите на молекулярната генетика.)

Американският специалист по молекулярна биология и генетик Хамилтън Смит е роден в Ню Йорк в семейството на Бъни Смит и Томи Смит; освен Хамилтън семейството има още едно дете. Бащата на Смит преподава през летните месеци в Ню Йорк педагогика на студентите от Колумбийския университет. Останалото време семейството прекарва в Гейнсвил (щат Флорида), където бащата на Смит заема длъжността асистент-професор в университета на щата Флорида. През 1937 г. Смит старши, след като получава докторска степен, отива да преподава в Илинойския университет и семейството се мести в Урбана.

По време на обучението си в държавното училище в Урбана Смит се занимава с лека атлетика и и се интересува от химия и електроника. Той прекарва много часове в химическата лаборатория, която с брат си обзавежд с оборудване, купено с изкарани от тях пари. През 1948 г., като завършва само за три години средното университетско училище, Смит постъпва в Илинойския университет, за да получи математическо образование. През 1950 г. се мести в Калифорнийския университет в Бъркли, за да учи биология. Там Смит започва да се занимава за първи път с клетъчна физиология, биохимия и биология – предмети, които предизвикват у него голям интерес.

През 1952 г. Смит получава степента бакалавър в Бъркли и постъпва в медицинския колеж „Джонс Хопкинс“. Там той преминава през обикновен курс на обучение и има малко възможности да се занимава с изследователска работа. Четири години по-късно получава медицинска диплома, след което в течение на една година работи като стажант в болницата „Барнс“ към Вашингтонския университет в Сент Луис. През същата година се жени за Елизабет Ан Болтън, която учи за медицинска сестра. Семейството има четирима сина и една дъщеря. През 1957 г. Смит е призован във военноморските сили на Съединените щати и служи две години като старши офицер от медицинските служби в Сан Диего (щат Карифорния). Там започва да чете през свободното си време литература по генетика.

След демобилизацията си, от 1960 до 1962 г., Смит кара стажа в болницата „Хенри Форд“ в Детройт (щат Мичиган). В свободното си време продължава да проучва литературата по генетика и по-специално по генетика на бактериите, както и по биохимия на нуклеиновите киселини. През 1962 г. става докторант в Националния институт по здравеопазване и започва да изучава в отделението по генетика на човека в Мичиганския университет генетиката на бактериофагите и механизмите на функционирането на профагите. Основен интерес предизвикват у него процесите на разрушаване на бактериалните клетки от бактериофаговите частици.

Бактериофагите са вируси, които поразяват бактериалните клетки, те са проста форма на живот, която включва вътрешно ядро, състоящо се от нуклеинови киселини, и външна протеинова обвивка. Когато бактериофагът проникне в бактериалната клетка, започва да се размножава и предизвиква нейното разрушаване в резултат от освобождаването на нови бактериоофагови частици. Освен това той може да се включи в генетичната структура на бакториалната клетка, образувана от дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) – в този случай се нарича профаг, - и да се предаде на дъщерните клетки при процеса на делене. И трето, бактериофагът може да бъде разцепен и деактивиран от ферментните системи на бактериалните клетки; това явление се нарича рестрикция-модификация, контролирана от клетката стопанин.

Процесът рестрикция-модификация протича под въздействието на два фермента на бактериалната клетка – рестрикционна ендонуклеаза и метилаза. Рестрикционната ендонуклеаза разпознава специфичната последователност на базите в ДНК на бактериофага и разцепва тази ДНК на няколко фрагмента. А метилазата разпознава идентичната последователност в бактериалната ДНК (или ДНК на клетката стопанин), метилира я и с това я предпазва да не бъде ферментно разцепена от собствената си ендонуклеаза. (Метилирането е присъединяване към ДНК молекулата на метилова група, състояща се от един атом въглерод и три атома водород.)

Вернер Арбер, който работи през 60-те години в Женевския университет, предполага, че тази система от два фермента е характерна за всяка бактериална клетка. Той я нарича система рестрикция-модификация, защото под нейно влияние настъпва рестрикция на бактериофагите и модификация на клетката стопанин. Освен това Арбер открива рестрикционната ендонуклеаза на бактерията Escherichia coli, която живее в дебелото черво; тази ендонуклеаза разцепва ДНК на фага в случайни, или неспецифични участъци. Тя е наречена ендонуклеаза тип I. Арбер предсказва, че в други бактерии може да се открият рестрикционни ендонуклеази от тип II, разделящи ДНК на фага в специфични участъци, и че тези ендонуклеази могат да се окажат полезни за определяне на генетичната структура на ДНК молекулата.

Като работи две години в Мичиганския университет, Смит получава длъжността научен сътрудник в отдела по микробиология към колежа „Джонс Хопкинс“. Там той проучва ферментните механизми на системите рестрикция-модификация, които преди това е изследвал заедно с Арбер в продължение на една година в Женева.

Когато се връща през 1967 г. в колежа „Джон Хопкинс“, Смит заема длъжността асистент-професор по микробиология, а след два дена – длъжността адюнкт-професор. По това време той и неговите колеги осъществяват редица важни опити, проучващи ферментите на системата рестрикция-модификация на бактериите Haemophilis influenzae. Като изолират и пречистват рестрикционна ендонуклеаза от тип II, Смит и неговите сътрудници за първи път идентифицират специфична, иначе казано – действаща на определени участъци, ендонуклеаза. Освен това те установяват специфичната нуклеотидна последователност на ДНК, която този фермент разпознава, и участъка, на който той действа. Оттогава са открити множество специфични ферментни системи от тип II. С нарастването на броя на идентифицираните системи рестрикция-модификация става възможно, както предсказва Арбер, да се анализира генетичната структура на ДНК молекулата. Скоро след като Смит изолира в чист вид рестрикционната ендонуклеаза на Haemophilis influenzae, един от колегите му в колежа „Джонс Хопкинс“, Даниел Натане, като използва откритата от Смит рестрикционна ендонуклеаза и друг фермент, установява точната локализация и функциите на гените на ДНК на маймунския вирус-40.

Изследването на рестрикционните ферменти от Смит, Алберт и Нейтънс правят възможно да се анализира химичния строеж на гена. Това отваря по-големи перспективи за изучаване на висшите организми. Благодарение на тези разработки днес има възможност да се разглежда важният проблем за диференциране на клетките. През 1973 г. Смит получава званието професор по микробиология в колежа „Джонс Хопкинс“. През 1975 г. става член на съвета на дружеството „Гугенхайм“ в Института по молекулярна биология към Цюрихския университет в Швейцария, където работи една година.

През 1981 г. Смит получава длъжността професор по молекулярна биология и генетика в колежа „Джонс Хопкинс“ и продължава да изследва ферментните механизми на сестемите рестрикция-модификация, по-специално пространствените (тримерните) механизми на молекулярното взаимодействие между ДНК и ендононуклеазата.

Във времето, свободно от преподавателска и научна работа, Смит обича да свири на пиано и да слуша класическа музика. Страстен поклонник е на пианиста Артур Рубенщайн.

Смит е член на Националната академия на науките на САЩ, на Американското микробиологично дружество, на Американското дружество на биохимиците и на Американската асоциация за съдействие на развитие на науката; освен това е член-кореспондент на Американската академия на науката и изкуството.

Превод от руски: Павел Б. Николов