Научные исследования — одно из самых увлекательных и полезных занятий.
Frederick Sanger был британским биохимиком, дважды лауреатом Нобелевской премии по химии, одним из только двух человек, совершивших такой подвиг в одной категории, другой — John Bardeen в области физики, четвёртый человек в целом с двумя Нобелевскими премиями и третий человек в целом с двумя Нобелевскими премиями в области естественных наук. В 1958 году ему была присуждена Нобелевская премия по химии «за его работы по структуре белков, в частности инсулина». В 1980 году Walter Gilbert и Sanger разделили половину премии по химии «за их вклад в определение последовательностей оснований в нуклеиновых кислотах». Вторую половину получил Paul Berg «за его фундаментальные исследования биохимии нуклеиновых кислот, в частности в отношении рекомбинантной ДНК».
Ранняя жизнь и образование
Frederick Sanger родился 13 августа 1918 года в Rendcomb, небольшой деревне в Gloucestershire, Англия, вторым сыном Frederick Sanger, врача общей практики, и его жены Cicely Sanger, урожденной Crewdson. Он был одним из трех детей. Его брат Theodore был всего на год старше, а его сестра May Mary была на пять лет моложе. Его отец работал англиканским медицинским миссионером в Китае, но вернулся в Англию из-за проблем со здоровьем. Ему было 40 лет в 1916 году, когда он женился на Cicely, которая была на четыре года младше. Вскоре после рождения двух сыновей отец Sanger обратился в квакеризм и воспитал детей как квакеров. Мать Sanger была дочерью богатого производителя хлопка и имела квакерское происхождение, но сама не была квакеркой.
Когда Sanger был около пяти лет, семья переехала в небольшую деревню Tanworth-in-Arden в Warwickshire. Семья была довольно обеспечена и наняла гувернантку для обучения детей. В 1927 году, в возрасте девяти лет, его отправили в Downs School, интернат, управляемый квакерами рядом с Malvern. Его брат Theo был на год впереди него в той же школе. В 1932 году, в возрасте 14 лет, его отправили в недавно основанную Bryanston School в Dorset. В ней использовалась система Dalton и была более либеральная система обучения, которую Sanger намного предпочитал. В школе он нравился его учителям и особенно наслаждался научными предметами. Сумев получить свидетельство об окончании школы на год раньше, за что ему были присуждены семь кредитов, Sanger смог провести большую часть своего последнего года обучения экспериментами в лаборатории рядом со своим учителем химии, Geoffrey Ordish, который первоначально учился в Cambridge University и был исследователем в Cavendish Laboratory. Работа с Ordish была приятным отступлением от зубрежки и пробудила у Sanger желание заняться научной карьерой.
В 1936 году Sanger поступил в St John's College, Cambridge для изучения естественных наук. Его отец учился в том же колледже. В первой части его Tripos он посещал курсы по физике, химии, биохимии и математике, но испытывал трудности с физикой и математикой. Многие другие студенты изучали больше математики в школе. На втором курсе он заменил физику физиологией. Ему потребовалось три года, чтобы получить первую часть. Для второй части он изучал биохимию и получил диплом с отличием первого класса. Биохимия была относительно новым отделением, основанным Gowland Hopkins с увлеченными лекторами, включая Malcolm Dixon, Joseph Needham и Ernest Baldwin.
Оба его родителя умерли от рака в его первые два года в Cambridge. Его отцу было 60 лет, а его матери было 58 лет. Как студент, убеждения Sanger были сильно повлияны его квакерским воспитанием. Он был пацифистом и членом Peace Pledge Union. Именно благодаря его участию в Cambridge Scientists Anti-War Group он познакомился со своей будущей женой, Joan Howe, которая изучала экономику в Newnham College. Они встречались, пока он готовился к экзаменам второй части, и поженились после его выпуска в декабре 1940 года. Sanger, хотя и воспитанный и находившийся под влиянием своего религиозного воспитания, позже начал терять из виду свой квакерский образ жизни. Он начал смотреть на мир через более научную линзу, и с ростом его исследований и научного развития он медленно отдалялся от веры, в которой он вырос. Он испытывает только уважение к религиозному люду и говорит, что получил от него две вещи: истину и уважение ко всей жизни. В соответствии с Military Training Act 1939 он был условно зарегистрирован как человек с возражениями по совести, а затем в соответствии с National Service Armed Forces Act 1939 ему было предоставлено безусловное освобождение от военной службы трибуналом. Тем временем он прошел обучение социальной работе в Quaker центре, Spicelands, Devon и недолго служил больничным санитаром.
Sanger начал учиться в аспирантуре в октябре 1940 года под руководством N.W. "Bill" Pirie. Его проект заключался в исследовании того, можно ли получить съедобный белок из травы. После чуть более месяца Pirie покинул отделение, и Albert Neuberger стал его научным руководителем. Sanger изменил свой исследовательский проект на изучение метаболизма лизина и более практической проблемы, касающейся азота картофеля. Его диссертация имела название «Метаболизм аминокислоты лизина в животном организме». Его экзаменовали Charles Harington и Albert Charles Chibnall и присудили ему докторскую степень в 1943 году.
Исследования и карьера
Секвенирование инсулина
Neuberger переехал в National Institute for Medical Research в London, но Sanger остался в Cambridge и в 1943 году присоединился к группе Charles Chibnall, химика белков, который недавно занял должность председателя в Department of Biochemistry. Chibnall уже проделал некоторую работу по аминокислотному составу бычьего инсулина и предложил Sanger посмотреть на аминогруппы в белке. Инсулин можно было приобрести в аптечной сети Boots и он был одним из очень немногих белков, доступных в чистом виде. До этого времени Sanger сам себя финансировал. В группе Chibnall он первоначально получал поддержку от Medical Research Council, а затем с 1944 по 1951 год от Beit Memorial Fellowship for Medical Research.
Первый триумф Sanger заключался в определении полной аминокислотной последовательности двух полипептидных цепей бычьего инсулина, A и B, в 1952 и 1951 годах соответственно. До этого широко предполагалось, что белки были несколько аморфными. Определив эти последовательности, Sanger доказал, что белки имеют определенный химический состав.
Для этого Sanger усовершенствовал метод хроматографии распределения, впервые разработанный Richard Laurence Millington Synge и Archer John Porter Martin для определения состава аминокислот в шерсти. Sanger использовал химический реагент 1-флюоро-2,4-динитробензол, теперь также известный как реагент Sanger, флюородинитробензол, FDNB или DNFB, полученный из исследований ядовитого газа Bernhard Charles Saunders в Chemistry Department в Cambridge University. Реагент Sanger оказался эффективным при маркировании N-терминальной аминогруппы на одном конце полипептидной цепи. Затем он частично гидролизовал инсулин в короткие пептиды либо соляной кислотой, либо используя фермент, такой как трипсин. Смесь пептидов была фракционирована в двух измерениях на листе фильтровальной бумаги, сначала электрофорезом в одном измерении, а затем, перпендикулярно этому, хроматографией в другом. Различные пептидные фрагменты инсулина, обнаруженные с помощью нингидрина, переместились в разные позиции на бумаге, создав отчетливый узор, который Sanger назвал «отпечатками пальцев». Пептид с N-конца можно было узнать по желтому цвету, придаваемому меткой FDNB, и идентичность меченной аминокислоты на конце пептида определяли полным кислотным гидролизом и обнаружением того, какая динитрофенил-аминокислота была там.
Повторяя этот тип процедуры, Sanger смог определить последовательности многих пептидов, генерируемых, используя различные методы первоначального частичного гидролиза. Они могли быть собраны в более длинные последовательности для определения полной структуры инсулина. Наконец, поскольку цепи A и B физиологически неактивны без трех связывающих дисульфидных связей (две межцепочечные, одна внутри цепи A), Sanger и его сотрудники определили их расположение в 1955 году. Главным выводом Sanger было то, что две полипептидные цепи белка инсулина имели точные аминокислотные последовательности и, по расширению, что каждый белок имел уникальную последовательность. Именно это достижение принесло ему его первую Нобелевскую премию по химии в 1958 году. Это открытие было решающим для последующей гипотезы последовательности Crick для развития идей о том, как ДНК кодирует белки.
Секвенирование РНК
С 1951 года Sanger был членом внешнего штата Medical Research Council и когда они открыли Laboratory of Molecular Biology в 1962 году, он переехал из своих лабораторий в Department of Biochemistry университета на верхний этаж нового здания. Он стал главой отделения Protein Chemistry.
До своего переезда Sanger начал изучать возможность секвенирования молекул РНК и начал разрабатывать методы разделения рибонуклеотидных фрагментов, генерируемых специфическими нуклеазами. Эту работу он проделал, пытаясь совершенствовать методы секвенирования, которые он разработал во время работы над инсулином.
Ключевой проблемой в этой работе было нахождение чистой молекулы РНК для секвенирования. В ходе работы он открыл в 1964 году совместно с Kjeld Marcker формилметионин-тРНК, которая инициирует синтез белков в бактериях. Он проиграл в гонке быть первым, кто секвенировал молекулу тРНК, группе во главе с Robert Holley из Cornell University, которая опубликовала последовательность 77 рибонуклеотидов аланин-тРНК из Saccharomyces cerevisiae в 1965 году. К 1967 году группа Sanger определила последовательность нуклеотидов 5S рибосомной РНК из Escherichia coli, малой РНК из 120 нуклеотидов.
Секвенирование ДНК
Затем Sanger перешел к секвенированию ДНК, что потребовало бы совершенно другого подхода. Он изучал различные способы использования ДНК-полимеразы I из E. coli для копирования одноцепочечной ДНК. В 1975 году совместно с Alan Coulson он опубликовал процедуру секвенирования с использованием ДНК-полимеразы с радиомеченными нуклеотидами, которую он назвал техникой «Plus and Minus». Это включало два тесно связанных метода, которые генерировали короткие олигонуклеотиды с определенными 3' концами. Они могли быть разделены электрофорезом на полиакриламидном геле и визуализированы с помощью авторадиографии. Процедура могла секвенировать до 80 нуклеотидов за один раз и была большим улучшением по сравнению с предыдущим, но все еще была очень трудоемкой. Тем не менее его группе удалось секвенировать большую часть 5386 нуклеотидов одноцепочечного бактериофага φX174. Это был первый полностью секвенированный геном на основе ДНК. К их удивлению они обнаружили, что кодирующие области некоторых генов перекрывались друг с другом.
В 1977 году Sanger и его коллеги представили метод «дидеокси» цепно-терминации для секвенирования молекул ДНК, также известный как «метод Sanger». Это был крупный прорыв и позволил быстро и точно секвенировать длинные участки ДНК. Это принесло ему вторую Нобелевскую премию по химии в 1980 году, которую он разделил с Walter Gilbert и Paul Berg. Новый метод использовался Sanger и его коллегами для секвенирования человеческой митохондриальной ДНК (16569 пар оснований) и бактериофага λ (48502 пары оснований). Метод дидеокси в итоге был использован для секвенирования всего человеческого генома.
Аспиранты
В ходе своей карьеры Sanger руководил более чем десятью докторантами, двое из которых также получили Нобелевские премии. Его первым аспирантом был Rodney Porter, который присоединился к исследовательской группе в 1947 году. Porter позже разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1972 года с Gerald Edelman за его работу по химической структуре антител. Elizabeth Blackburn учиться в докторантуре в лаборатории Sanger между 1971 и 1974 годами. Она разделила Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2009 года с Carol W. Greider и Jack W. Szostak за работу по теломерам и действию теломеразы.
Награды и почести
По состоянию на 2015 год Sanger — единственный человек, получивший Нобелевскую премию по химии дважды, и один из только четырех двукратных лауреатов Нобелевской премии: три других — это Marie Curie (Физика, 1903 и Химия, 1911), Linus Pauling (Химия, 1954 и Мир, 1962) и John Bardeen (дважды Физика, 1956 и 1972).
- Избран Fellow of the Royal Society FRS в 1954 году
- Commander of the Order of the British Empire – 1963
- Order of the Companions of Honour – 1981
- Order of Merit – 1986
- Corresponding Fellow of the Australian Academy of Science – 1982
- William Bate Hardy Prize – 1976
- Nobel Prize in Chemistry – 1958, 1980
- Corday–Morgan Medal – 1951
- Royal Medal – 1969
- Gairdner Foundation International Award – 1971
- Copley Medal – 1977
- G.W. Wheland Award – 1978
- Louisa Gross Horwitz Prize of Columbia University – 1979
- Albert Lasker Award for Basic Medical Research – 1979
- Association of Biomolecular Resource Facilities Award – 1994
- Golden Plate Award of the American Academy of Achievement - 2000
- Citation for Chemical Breakthrough Award from the Division of History of Chemistry of the American Chemical Society – 2016
The Wellcome Trust Sanger Institute, ранее известный как Sanger Centre, назван в его честь.
