НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1980 г. / ХИМИЯ / ФРЕДЕРИК САНГЪР

Фредерик Сангър (Frederick Sanger)

13 август 1918 г. – 19 ноември 2013 г.

Нобелова награда за химия (заедно с Пол Бърг и Уолтър Гилбърт)

(За приноса му в определянето на последователността на базите в нуклеиновите киселини.)

Английският биохимик Фредерик Сангър е роден в Рендкомб (графство Глостършир) в заможно семейство на квакери. Майка му, Сисели Кръсдъм, е дъщеря на преуспяващ текстилен магнат. Баща му (чието име носи Фредерик) е лекар. От 1932 до 1936 г. бъдещият нобелов лауреат учи в Брайнстънското училище в Блендфорд (графство Дорсетшир), а през 1936 г. постъпва в колежа „Сейнт Джон“ към Кеймбриджкия университет. Първоначално Сангър планира да тръгне по стъпките на баща си и да се заеме с медицина, но проявява интерес към биохимията. „Струваше ми се - пише той много години по-късно, - че това е пътят към истинското разбиране на живата материя и към разработването на повече научни основи за решаването на много проблеми, стоящи пред медицината“.

През 1939 г. Сангър получава в Кеймбриджкия университет степента бакалавър по природни науки. През септември същата година започва Втората световна война, но той, като квакер, е освободен от военна служба и остава да следва аспирантура в Кеймбридж. Като получава през 1943 г. докторска степен, Сингър става член на изследователската група, ръководена от Е. Ч. Чибнъл, който малко преди това е сменил Фредерик Хопкинс на длъжността професор по биохимия в Кейбриджкия университет. По това време Чибнъл изследва химията на протеините.

През 1902 г. Емил Фешер предполага, че протеините се състоят от аминокиселини, свързани с пептидни връзки. Към началото на 40-те години хипотезата на Фишер е широко, макар и не повсеместно, призната. Когато повече от две аминокиселини са свързани заедно, те образуват полипептидна верига. Но понеже аминокиселините могат да образуват не повече от две пептидни връзки, Фишер предсказва, че протеините би трябвало да се състоят от линейни връзки аминокиселини със свободна карбоксилна група (състояща се от въглерод, кислород и водород) в края. Чибнъл предлага на Сангър да установи крайната групировка на пептидната връзка по химически път. Това би доказало, че протеините наистина се състоят от линейни вериги аминокиселини. Би доказало и дали един протеин образува повече от един вид пептидна връзка.

През 1945 г. Сангър съобщава, че при слаби алкални условия определен реагент (динитрофенол) може да се присъедини към азотния атом на аминокиселината с по-силна връзка от пептидната. Следователно протеинът може да бъде разделен на съставящите го аминокиселини с разрушаване на пептидните връзки, а аминокиселините могат да бъдат установени с помощта на хроматографията. Методът на хроматографията, усъвършенстван малко преди това от Арчър Мартин и Ричард Синг, позволява да се разделят веществото на компоненти, като се има предвид тяхната характерна скорост, с която се поглъщат от специален филтър.

Значителна част от изследванията, осъществени в лабораторията на Чибнъл, е свързана с инсулина, един от малкото протиени, достъпни по това време в чист вид и в големи количества. Първоначалните проучвания на Сангър върху инсулина сочат, че той съдържа две различни аминокиселини с N-краища. Следователно всяка молекула инсулин се състои от два вида полипептидни вериги. Аминокиселината цистеин съдържа молекула сяра; две молекули цистеин могат да се свържат и да образуват цистеин, в който има дисулфиден мост или между две полипептидни вериги, или между различни участъци на една верига. През 1949 г. Сангър съобщава, че е открил начин да разрушава тези дисулфидни мостове и следователно начин да разделя две вериги.

Сангър и дошлият от Виена учен Ханс Тупи разработват план за установяване на последователността от редуващи се аминокиселини във всяка от полипептидните вериги на инсулина. Като разделят веригата на подсекции, двамата учени се надяват да установят последователността на аминокиселините във всяка подсекция и, използвайки тази информация, да установят последователността на редуване в цялата полипептидна верига. Въпреки че отначало Сангър използва киселина, за да разкъса полипептиданата връзка, скоро открива, че ферментите действат много по-добре. Така Сангър и Тупи сравняват фрагменти от веригата, получени в резултат от използване на различни ферменти, за да разберат последователността на редуване на аминокиселините в цялата верига. Да се установи последователността на редуване в по-дългата от двете инсулинови вериги се оказва изключително лесно и работата е почти завършена преди заминаването на Тупи през 1950 г. от Кеймбридж. Но по-късата инсулинова верига все така не се поддава на химически анализ и затова последователността на редуване на аминокиселините в нея е установена едва през 1953 г. Сангър продължава да работи за установяване на местоположението на дисулфидните мостове между двете вериги и през 1955 г. представя завършената структура на молекулата на инсулина. Това е първата протеинова молекула, изучена толкова подробно.

Работата на Сангър има важни последици за биохимията и за зараждащата се наука молекулярна биология. Резултатите от проведените от него изследвания доказват окончателно, че протеините се състоят от аминокиселини, свързани с вериги от полипептидни връзки. В началото на ХХ в. мнозина химици предполагат, че протеините представляват смес от родствени съединения. Сангър обаче установява, че протеините са особено химическо вещество с уникална структура и че всяко място във веригата е заето от определена аминокиселина. Той също така доказва, че ферментите могат да разкъсват пептидните връзки в предварително установени места. Използването на този метод помага на биохимиците да определят структурата на много други протеини.

През 1958 г. Сангър е удостоен с Нобелова награда "за работата му върху структурата на протеините и особено на инсулина".

Още преди получаването на Нобеловата награда Сангър се заема с проучвания в областта на генетиката. Това става отчасти заради дружбата му с Франсис Крик.

През 1958 г. Робърт У. Холи предприема опит да установи последователността на веригите в тРНК (транспортна рибонуклеинова киселина). Въпреки че кратките ѝ вериги не надвишават 100 нуклеотида, тази негова дейност, заради сложността при установяването на последователността, продължава до 1965 г. Сангър се впечатлява много от работата на Холи, но търси по-действен метод за установяване на последователността, достъпен за прилагане към веригите на иРНК (информационна рибонуклеинова киселина), чиято дължина често достига няколкостотин нуклеотида. В началото на 60-те години той и неговите колеги разработват такава технология. Като използват ферменти, те разкъсват веригите на иРНК на по-малки вериги и проследяват последователността във всяка една от тях поотделно. След това на основата на заключенията за взаимоотношенията между ферментите определят последователността във всяка верига.

Този подход обаче изисква много време и търпение и Сангър решава да разработи аналитичен метод за установяване на последователността в ДНК. Той постига това през 1973 г. Предложената от него процедура се състои в това, че двойната верига на молекулата на ДНК се разкъсва на единични вериги (наричани стрингове), а след това полученият материал се групира в четири образеца. Всеки образец се възстановява до първоначалната последователност на двойната верига, като се има предвид шаблона на единичната верига. Но изследователите спират възстановяването на различните нуклеотиди за всеки образец или с ограничаване на концентрацията на един или друг нуклеотид, или като поставят във веригата определен нуклеотид с такъв химикал, който предотвратява по-нататъшния синтез. В резултат от това реконструиране веригите представляват образци с различна дължина, но всяка завършва с еднакъв нуклеотид. След това четирите образеца се пропускат едновременно през филтриращ материал, който разделя веригите в съответствие с тяхната дължина, защото по-късите вериги преминават през филтъра по-бързо. И тогава нуклеотидната последователност на първоначалната верига на ДНК може да бъде прочетена направо от филтъра чрез сравняване на следите, оставени от образците.

Докато Сангър и неговите колеги работят над този метод, американските учени Уолтър Гилберт и Алън Мексам разработват друга процедура за установяване на нуклеотидните последователности.

През 1983 г. Сангър напуска заемания от него пост в Медицинския научно-изследователски съвет. Скромен, склонен към уединение човек, той живее в Кеймбридж със своята съпруга Маргарет Джоан Хоув. Двамата се женят през 1940 г. Семейството има двама сина и една дъщеря. Сангър обича да се занимава с ветроходство и да работи в градината. Умира на преклонна възраст (95 години).

Сангър е удостоен с множество награди. Сред тях: медала Кордей-Морган и награда, присъдени му от Британското химическо дружество (1951 г.), наградата Алфред Бензонс на фонда „Алфред Бензонс“ (1966 г.), Кралския медал на Лондонското кралско дружество (1969 г.), ежегодната награда на Гарднеровия фонд (1971 и 1979 г.), паметния медал Хенбъри на Фармацефтичното дружество на Великобритания (1976 г.), медала Копли на Лондонското кралско дружество (1977 г.) и наградата Албърт Ласкър за фундаментални медицински изследвания (1979 г.). Сангър е почетен член на Американското дружество на биохимиците и на американската Национална академия на науката, има почетни степени от университетите в Лестър и Страсбург, а също така в Кеймбридж и Оксфорд.

Превод от руски: Павел Б. Николов