Гамильтон Смит: бактериолог, который дал биологии ее ножницы

До Гамильтона Смита (Hamilton Smith) ДНК была, по сути, неразрезаемой — молекулой, которую ученые могли описать, но не могли избирательно разрезать на части. В 1970 году, работая со студентом-выпускником над обычной бактерией, Смит обнаружил фермент, который разрезал ДНК только в одной специфической шестибуквенной последовательности, и тем самым дал всей области молекулярной биологии ее первую пару точных ножниц. Все, от генной инженерии до секвенирования генома и инструментов, которые позже позволили ему помочь собрать геном бактерии с нуля, проистекает из этого одного фермента, HindII.

От военно-морского врача до бактериального генетика

Смит родился 23 августа 1931 года в Нью-Йорке и вырос в Урбана-Шампейн, штат Иллинойс, где посещал Университетскую лабораторную среднюю школу, прежде чем перейти в Иллинойский университет в 1950 году. Он получил степень по математике в Калифорнийском университете в Беркли в 1952 году, а затем отправился на восток за медицинской степенью в Университет Джонса Хопкинса, которую получил в 1956 году. Его путь в исследования был совсем не прямым. Его ранняя карьера следовала обычному медицинскому пути — работа в медицинской службе в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, служба в ВМС США и ординатура в больнице Генри Форда, — прежде чем постдокторская стипендия по генетике в Мичиганском университете, начатая в 1962 году под руководством исследователя инфекционных заболеваний Майрона Левина (Myron Levine), направила его к лабораторному столу. Позже стипендия Гуггенхайма привела его в Цюрихский университет в 1975 году, но к тому времени открытие, которое определило его карьеру, уже осталось на пять лет позади. Это был окольный путь в науку для человека, который провел бы там остаток своей трудовой жизни — врач, который не перешел к исследованиям в области микробиологии до тридцати с небольшим лет.

Фермент, который читает последовательность и делает разрез

В 1967 году Смит присоединился к профессорско-преподавательскому составу Университета Джонса Хопкинса в качестве доцента микробиологии. Три года спустя, работая со студентом-выпускником Кентом Уилкоксом (Kent Wilcox), он выделил из бактерии Haemophilus influenzae фермент, который делал то, что никто ранее четко не демонстрировал: он распознавал специфическую короткую последовательность оснований ДНК и каждый раз точно разрезал молекулу именно в этом месте. Фермент получил обозначение HindII, став первой охарактеризованной рестриктазой II типа. Смит продолжил идентификацию ДНК-метилаз, которые бактерии используют наряду с ферментами рестрикции для защиты своих собственных геномов от самопереваривания, дополнив картину того, как работают бактериальные системы рестрикции-модификации как единое целое. За это открытие Смит разделил Нобелевскую премию по физиологии или медицине 1978 года с Вернером Арбером (Werner Arber), который теоретизировал существование таких ферментов, и Дэниелом Натансом (Daniel Nathans), коллегой из Хопкинса, который первым применил их на практике в генетическом картировании. Рестриктазы II типа почти в одночасье стали базовым набором инструментов технологии рекомбинантной ДНК — средством, с помощью которого ученые могли вырезать гены из одного организма и вставлять их в другой.

От резки геномов к их чтению и созданию

Карьера Смита не остановилась на Нобелевской премии. В 1995 году, работая с командой Дж. Крейга Вентера (J. Craig Venter) в Институте геномных исследований, он помог секвенировать полный геном Haemophilus influenzae — той же бактерии, где он нашел HindII четверть века назад, и первого свободноживущего организма, геном которого был полностью прочитан. Уйдя из Университета Джонса Хопкинса в 1998 году, Смит перешел на расширяющуюся орбиту Вентера, продолжая работать в Celera Genomics во время процесса секвенирования генома человека, а затем присоединился к синтетической биологии в качестве научного директора Synthetic Genomics, основанной в 2005 году для поиска биотоплива из генно-инженерных организмов. В 2003 году его команда синтетически собрала геном бактериофага Phi X 174, и позже он руководил работой по созданию частично синтетических бактериальных клеток — продвигая дисциплину, которую он помог основать, резку ДНК, к ее логическому расширению, созданию ДНК с нуля.

Коллега, а не знаменитость

Те, кто работал вместе со Смитом в Хопкинсе, помнили его не столько как научную знаменитость, сколько как человека с определенным темпераментом. Коллега-исследователь из Хопкинса Джереми Натанс (Jeremy Nathans) сказал, что Смит «воплощал дух приключений в науке», а микробиолог Томас Келли (Thomas Kelly) назвал его «теплым и щедрым коллегой», чье влияние сформировало культуру факультета не меньше, чем любое отдельное открытие. Смит был женат на Лиз Смит (Liz Smith), которая скончалась раньше него; у пары было пятеро детей, один из которых также скончался раньше него, и у него остались двенадцать внуков и пятнадцать правнуков. Университет Джонса Хопкинса учредил премию Гамильтона Смита за инновационные исследования в его честь в 2015 году, когда он еще активно занимался исследованиями в области синтетической биологии.

Почему Гамильтона называют гением

Работа Смита, удостоенная Нобелевской премии, была актом точного экспериментального наблюдения, а не грандиозного теоретизирования: Вернер Арбер предсказал, что ферменты, специфично разрезающие ДНК по последовательности, должны существовать, и именно Смит, проводя тщательные бактериальные эксперименты со студентом-выпускником, фактически выделил один из них и доказал, что он работает именно так точно, как того требовала теория. В этом гений лабораторного ученого — терпение очистить фермент, охарактеризовать его поведение достаточно точно, чтобы доверять ему, и мгновенно осознать, что чистый, воспроизводимый разрез в последовательности ДНК сделал возможным для остальной биологии. Справедливости ради стоит сказать, что Смит не работал в изоляции: Нобелевская премия 1978 года была явно трехсторонним, последовательным достижением, где предсказание Арбера, выделение Смита и применение Натанса были необходимы, и ни одно из них не было достаточным само по себе. Что выделяет Смита в этом трио, так это универсальность на протяжении пятидесятилетней карьеры — те же экспериментальные инстинкты, которые нашли HindII в 1970 году, продолжали двигать передовую науку в области секвенирования генома и синтетической биологии вплоть до его восьмидесятилетия, — устойчивое продуктивное любопытство, более редкое, чем любое отдельное открытие.

Наследие

Рестриктазы стали основополагающей технологией рекомбинантной ДНК и современной генной инженерии, биотехнологии и генной терапии — почти каждый последующий инструмент для манипуляций с ДНК восходит к способности, которую впервые продемонстрировал HindII. После диагностирования лимфомы в 2016 году Смит продолжал работать еще много лет и скончался 25 октября 2025 года в доме своего сына в Элликотт-Сити, штат Мэриленд, в возрасте девяноста четырех лет, завершив карьеру, которая прошла непрерывной линией от первого фермента, способного читать и разрезать генетическую последовательность, до команд, которые впервые секвенировали, а затем начали синтезировать целые геномы.