Carl Woese

Наша задача теперь состоит в том, чтобы пересинтезировать биологию; вернуть организм в его окружающую среду; воссоединить его с его эволюционным прошлым; и позволить нам почувствовать этот сложный поток, объединяющий организм, эволюцию и окружающую среду. Пришло время для биологии войти в нелинейный мир.

Carl Richard Woese был американским микробиологом и биофизиком. Woese известен своим определением Archaea — нового домена жизни в 1977 году благодаря филогенетической таксономии 16S рибосомальной РНК, методу, который он разработал и который произвел революцию в микробиологии. Он также предложил гипотезу РНК-мира в 1967 году, хотя и не под этим названием. Woese занимал кафедру Stanley O. Ikenberry и был профессором микробиологии в Иллинойском университете в Urbana–Champaign.

Жизнь и образование

Carl Woese родился в Syracuse, New York 15 июля 1928 года. Woese посещал Deerfield Academy в Massachusetts. Он получил степень бакалавра по математике и физике в Amherst College в 1950 году. Во время учебы в Amherst Woese прошел только один курс биологии — биохимию — на последнем курсе и не имел "никакого научного интереса к растениям и животным" до тех пор, пока William M. Fairbank, тогда вспомогательный профессор физики в Amherst, не посоветовал ему заняться биофизикой в Yale.

В 1953 году он завершил кандидатскую диссертацию по биофизике в Yale University, где его докторское исследование было сосредоточено на инактивации вирусов теплом и ионизирующим излучением. Он изучал медицину в University of Rochester два года, бросив учебу спустя два дня после начала ротации по педиатрии. Затем он стал постдоктором по биофизике в Yale University, исследуя бактериальные споры. С 1960 по 1963 год он работал биофизиком в General Electric Research Laboratory в Schenectady, New York. В 1964 году Woese присоединился к факультету микробиологии в Иллинойском университете в Urbana–Champaign, где сосредоточился на Archaea, геномике и молекулярной эволюции как областях своей специализации. Он стал профессором в Carl R. Woese Institute for Genomic Biology Иллинойского университета в Urbana–Champaign, который был переименован в его честь в 2015 году после его смерти.

Woese умер 30 декабря 2012 года в результате осложнений от рака поджелудочной железы.

Работа и открытия

Ранние работы по генетическому коду

Woese обратил внимание на генетический код, создавая свою лабораторию в Knolls Laboratory компании General Electric осенью 1960 года. Интерес физиков и молекулярных биологов начал сосредоточиваться вокруг расшифровки соответствия между двадцатью аминокислотами и четырехбуквенным алфавитом оснований нуклеиновых кислот в десятилетие, последовавшее за открытием James D. Watson, Francis Crick и Rosalind Franklin структуры ДНК в 1953 году. Woese опубликовал серию статей по этой теме. В одной из них он вывел таблицу соответствия между тем, что тогда называлось "растворимой РНК" и ДНК, на основе их соответствующих соотношений пар оснований. Затем он переоценил экспериментальные данные, связанные с гипотезой о том, что вирусы использовали одно основание, а не триплет, для кодирования каждой аминокислоты, и предложил 18 кодонов, правильно предсказав один для пролина. Другие работы установили механистическую основу трансляции белков, но, по мнению Woese, они во многом игнорировали эволюционные истоки генетического кода как вторичного вопроса.

В 1962 году Woese провел несколько месяцев в качестве приглашенного исследователя в Pasteur Institute в Paris, центре интенсивной деятельности в области молекулярной биологии экспрессии генов и регуляции генов. Находясь в Paris, он встретился с Sol Spiegelman, который пригласил Woese посетить University of Illinois после того, как услышал о целях его исследований; при этом посещении Spiegelman предложил Woese должность с немедленным получением должности, начиная с осени 1964 года. Имея свободу терпеливо следовать более спекулятивным направлениям исследований вне основного русла биологических исследований, Woese начал рассматривать генетический код в эволюционных терминах, задаваясь вопросом о том, как назначения кодонов и их трансляция в последовательность аминокислот могли бы эволюционировать.

Открытие третьего домена

На протяжении большей части XX века прокариоты рассматривались как единая группа организмов и классифицировались на основе их биохимии, морфологии и метаболизма. В высоко влиятельной статье 1962 года Roger Stanier и C. B. van Niel впервые установили разделение клеточной организации на прокариоты и эукариоты, определив прокариоты как организмы, лишенные клеточного ядра. Адаптируя обобщение Édouard Chatton, концепция Stanier и Van Niel была быстро принята как наиболее важное различие между организмами; однако они все еще скептически относились к попыткам микробиологов построить естественную филогенетическую классификацию бактерий. Однако стало общепринятым предположение, что вся жизнь имела общего прокариотического предка, что подразумевается греческим корнем πρό pro-, перед, впереди.

В 1977 году Carl Woese и George E. Fox экспериментально опровергли эту общепринятую гипотезу о базовой структуре дерева жизни. Woese и Fox открыли вид микробной жизни, которую они назвали "archaebacteria" или Archaea. Они сообщили, что archaebacteria составляют "третье царство" жизни, столь же отличное от бактерий, как растения и животные. Определив Archaea как новое "urkingdom", позже домен, которые были ни бактериями, ни эукариотами, Woese переделал таксономическое дерево. Его трехдоменная система, основанная на филогенетических отношениях, а не на очевидных морфологических сходствах, разделила жизнь на 23 основных подразделения, включенные в три домена: Bacteria, Archaea и Eucarya.

Признание валидности филогенетически обоснованной классификации Woese было медленным процессом. Выдающиеся биологи, включая Salvador Luria и Ernst Mayr, возражали против его разделения прокариотов. Не вся критика была ограничена научным уровнем. Десятилетие трудоемкого каталога олигонуклеотидов оставило его с репутацией "чудака", и Woese был назван "Рубцованным революционером микробиологии" в статье, опубликованной в журнале Science. Растущий объем подтверждающих данных привел к тому, что научное сообщество признало Archaea к середине 1980-х годов. Сегодня мало ученых придерживаются идеи единого Prokarya.

Работа Woese по Archaea также значима для своих последствий в поиске жизни на других планетах. До открытия Woese и Fox ученые думали, что Archaea — это крайние организмы, которые эволюционировали из микроорганизмов, более знакомых нам. Теперь большинство верят, что они древние и могут иметь прочные эволюционные связи с первыми организмами на Земле. Организмы, подобные тем archaeae, которые существуют в экстремальных окружающих средах, могли развиться на других планетах, некоторые из которых содержат условия, благоприятные для жизни экстремофилов.

Примечательно, что уточнение Woese дерева жизни показывает подавляющее разнообразие микробных линий: одноклеточные организмы представляют подавляющее большинство генетического, метаболического и экологического разнообразия ниш биосферы. Поскольку микробы имеют решающее значение для многих геохимических циклов и для продолжения функционирования биосферы, усилия Woese по уточнению эволюции и разнообразия микробов оказали неоценимую услугу экологам и защитникам природы. Это был значительный вклад в теорию эволюции и в наши знания об истории жизни.

Эволюция первичных типов клеток

Woese также размышлял о эпохе быстрой эволюции, в которой происходил значительный горизонтальный перенос генов между организмами. Впервые описанные Woese и Fox в статье 1977 года, эти организмы, или прогеноты, представлялись как протоклетки с очень низкой сложностью из-за их подверженной ошибкам трансляции "шумный канал генетической передачи", который производил высокие скорости мутаций, ограничивающие специфичность клеточного взаимодействия и размер генома. Этот ранний аппарат трансляции производил бы группу структурно подобных, функционально эквивалентных белков, а не один белок. Кроме того, из-за этой сниженной специфичности все клеточные компоненты были восприимчивы к горизонтальному переносу генов, и быстрая эволюция происходила на уровне экосистемы.

Переход к современным клеткам — "Дарвиновский порог" — произошел, когда организмы эволюционировали механизмы трансляции с современными уровнями верности: улучшенная производительность позволила клеточной организации достичь уровня сложности и связанности, который сделал гены других организмов намного менее способными вытеснить собственные гены индивидуума.

В последние годы работа Woese сосредоточилась на геномном анализе, чтобы выяснить значение горизонтального переноса генов (HGT) для эволюции. Он работал над подробными анализами филогений аминоацил-тРНК синтетаз и над влиянием горизонтального переноса генов на распределение этих ключевых ферментов среди организмов. Цель исследования состояла в том, чтобы объяснить, как первичные типы клеток — archaeal, eubacterial и eukaryotic — эволюционировали из предкового состояния в РНК-мире.

Взгляды на биологию

Woese поделился своими мыслями о прошлом, настоящем и будущем биологии в Current Biology:

"Важные вопросы", которые биология XXI века стоит перед всеми вытекают из одного вопроса — природы и происхождения биологической организации. . . . Да, Darwin вернулся, но в компании . . . ученых, которые могут видеть намного глубже в глубины биологии, чем это было возможно раньше. Это больше не "10 000 видов птиц" взгляд на эволюцию — эволюция, рассматриваемая как процессия форм. Теперь речь идет о самом процессе эволюции.

Я вижу, что вопрос биологической организации сегодня развивается в двух главных направлениях. Первое — это эволюция (белковой) клеточной организации, которая включает подвопросы, такие как эволюция аппарата трансляции и генетического кода, и происхождение и природа иерархий контроля, которые тонко настраивают и точно взаимосвязывают множество клеточных процессов, составляющих клетки. Он также включает вопрос о количестве различных базовых типов клеток, существующих на Земле сегодня: произошли ли все современные клетки из единой предковой клеточной организации?

Второе главное направление касается природы глобальной экосистемы. . . . Бактерии — главные организмы на этой планете — по количеству, по общей массе, по важности для глобального баланса. Таким образом, именно микробная экология. . . требует наибольшего развития как с точки зрения фактов, необходимых для ее понимания, так и с точки зрения рамок, в которых их интерпретировать.

Woese считал, что биология имеет "весьма важную" роль в обществе. По его мнению, биология должна служить более широкой цели, чем преследование "спроектированной окружающей среды":

То, что было официально признано в физике, теперь должно быть признано в биологии: наука служит двойственной функции. С одной стороны, она является слугой общества, решая прикладные проблемы, поставленные обществом. С другой стороны, она функционирует как учитель общества, помогая последнему понять свой мир и себя. Именно последняя функция эффективно отсутствует сегодня.

Почести и научное наследие

Woese был стипендиатом MacArthur в 1984 году, был назначен членом National Academy of Sciences в 1988 году, получил Медаль Leeuwenhoek — высшую честь микробиологии в 1992 году, премию Selman A. Waksman Award in Microbiology в 1995 году от National Academy of Sciences и был получателем National Medal of Science в 2000 году. В 2003 году он получил Crafoord Prize от Royal Swedish Academy of Sciences "за его открытие третьего домена жизни". В 2006 году он был сделан иностранным членом Royal Society.

Многие микробные виды, такие как Pyrococcus woesei, Methanobrevibacter woesei и Conexibacter woesei, названы в его честь.

Микробиолог Justin Sonnenburg из Stanford University сказал: "Статья 1977 года является одной из самых влиятельных в микробиологии и, по всей вероятности, во всей биологии. Она стоит наравне с работами Watson и Crick и Darwin, предоставляя эволюционную основу для невероятного разнообразия микробного мира".

Относительно работы Woese над горизонтальным переносом генов как основным эволюционным процессом, профессор Norman R. Pace из University of Colorado at Boulder сказал: "Я думаю, что Woese сделал больше для биологии в целом, чем любой биолог в истории, включая Darwin... Есть еще много чему учиться, и он блестяще интерпретирует развивающуюся историю".

Избранные публикации

Книги

• Woese, Carl 1967. The Genetic Code: the Molecular Basis for Genetic Expression. New York: Harper & Row. OCLC 293697.

Избранные статьи

• Woese, Carl R.; George E. Fox 1977. "Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 74 11: 5088–5090. Bibcode:1977PNAS...74.5088W. doi:10.1073/pnas.74.11.5088. ISSN 0027-8424. PMC 432104. PMID 270744.
• Woese, Carl R. June 1, 1987. "Bacterial evolution". Microbiological Reviews. 51 2: 221–271. doi:10.1128/MMBR.51.2.221-271.1987. PMC 373105. PMID 2439888.
• Woese, Carl R.; O Kandler; M L Wheelis 1990. "Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 12: 4576–4579. Bibcode:1990PNAS...87.4576W. doi:10.1073/pnas.87.12.4576. ISSN 0027-8424. PMC 54159. PMID 2112744.
• Woese,