Faggrupp

Faggruppen (ibland kallad American Phage Group ) var ett informellt nätverk av biologer centrerat på Max Delbrück som bidrog starkt till bakteriell genetik och ursprunget till molekylärbiologi i mitten av 1900-talet. Faggruppen har fått sitt namn från bakteriofager , de bakterieinfekterande virus som gruppen använde som experimentella modellorganismer . Förutom Delbrück inkluderar viktiga forskare associerade med faggruppen: Salvador Luria , Alfred Hershey , Seymour Benzer , Charles Steinberg , Gunther Stent , James D. Watson , Frank Stahl och Renato Dulbecco .

Faggruppens ursprung: människor, idéer, experiment och personliga relationer

Bakteriofager hade varit föremål för experimentell undersökning sedan Félix d'Herelle hade isolerat och utvecklat metoder för att upptäcka och odla dem, med början 1917. Delbrück, en fysiker som blev biolog som sökte det enklaste möjliga experimentella systemet för att undersöka livets grundläggande lagar, först påträffade fager under ett besök 1937 i TH Morgans fluglabb vid Caltech . Delbrück var inte imponerad av Morgans experimentellt komplexa modellorganism Drosophila , men en annan forskare, Emory Ellis , arbetade med den mer elementära fagen. Under de närmaste åren samarbetade Ellis och Delbrück om metoder för att räkna fager och spåra tillväxtkurvor ; de etablerade det grundläggande stegvisa mönstret för virustillväxt (de mest uppenbara egenskaperna hos den lytiska cykeln) .

Emory Ellis (1906–2003) och Max Delbrück (1906–1981)

I en retrospektiv artikel uttalade Emory Ellis "Snart efter att Max Delbruck anlände till Caltech Biology Division, med avsikt att upptäcka hur hans bakgrund i fysikaliska vetenskaper skulle kunna tillämpas produktivt på biologiska problem, visade jag honom några steg-tillväxtkurvor. Hans första kommentar var 'Jag tror inte på det.'" Men, som Ellis beskriver, skingrade Delbruck snart denna första reaktion av misstro genom sin egen analys av fenomenet, och gick snabbt med i arbetet med entusiasm och tog med sig sin träning i matematik och fysik och ett intensivt intresse för genetik. Deras första samarbetsresultat publicerades 1939.

Salvador Luria (1912–1991) och Alfred Hershey (1908–1997)

Faggruppen startade omkring 1940, efter att Delbrück och Luria träffats på en fysikkonferens. Delbrück och Salvador Luria inledde en serie samarbetsexperiment på infektionsmönster för olika stammar av bakterier och bakteriofag. De etablerade snart den "ömsesidiga uteslutningsprincipen" att en enskild bakterie bara kan infekteras av en stam av fag. 1943 visade deras "fluktuationstest", senare kallat Luria–Delbrück-experimentet , att genetiska mutationer för fagresistens uppstår i frånvaro av selektion , snarare än att vara ett svar på selektion. Den traditionella visdomen bland bakteriologer före 1943 var att bakterier inte hade några kromosomer och inga gener. Luria–Delbrück-experimentet visade att bakterier, liksom andra etablerade genetiska modellorganismer, har gener, och att dessa spontant kan mutera för att generera mutanter som sedan kan reproducera sig för att bilda klonala linjer. Det året började de också arbeta med Alfred Hershey , en annan fagexperimentator. (De tre skulle dela 1969 års Nobelpris i fysiologi eller medicin , "för arbete med virusets replikationsmekanism och genetik".)

Hershey beskrev i efterhand omständigheterna som ledde till experimentet med fager som han utförde med sin forskningsassistent, Martha Chase , 1952, senare känt som Hershey-Chase-experimentet . Detta experiment gav nyckelbevis för att DNA, till skillnad från protein, är det genetiska materialet i fagen och därför det troliga genetiska materialet i allmänhet.

1946 gjorde Luria ett fynd som var avsett att öppna upp en ny insikt om hur stabiliteten hos DNA uppnås (se Luria, sid. 96). Vad han upptäckte var att när, efter UV-bestrålning, två eller flera "döda" fager kom in i samma bakteriecell, blev de ofta levande igen och producerade normal levande avkomma. Detta var det första exemplet på reaktivering av celler eller organismer som hade skadats av strålning. Han tolkade reaktiveringen, korrekt, som ett resultat av genetisk rekombination (se även homolog rekombination ). James Watson (framtida medupptäckt av Watson-Crick-strukturen av DNA 1953 och vinnare av Nobelpriset 1962), var Lurias första doktorand vid Indiana University. Som sitt doktorsavhandlingsprojekt visade Watson att röntgenfager kan delta i genetisk rekombination och multiplicitetsreaktivering .

Såsom kom ihåg av Luria (1984, s. 97) startade upptäckten av reaktivering av bestrålade fager (refererad till som " multiplicitet reaktivering ") omedelbart en uppsjö av aktivitet i studien av reparation av strålningsskador inom den tidiga faggruppen (recensionerad av Bernstein år 1981). Det visade sig senare att reparationen av skadad fag genom ömsesidig hjälp som Luria hade upptäckt bara var ett specialfall av DNA-reparation. Celler av alla typer, inte bara bakterier och deras virus, utan alla studerade organismer, inklusive människor, är nu kända för att ha komplexa biokemiska processer för att reparera DNA-skador (se DNA-reparation ). DNA-reparationsprocesser anses nu också spela en avgörande roll för att skydda mot åldrande, cancer och infertilitet.

James Watson (1928– ) och Renato Dulbecco (1914–2012)

Jim Watson beskrev i en retrospektiv artikel sina första upplevelser som student med Luria 1947. Tydligen, enligt Watson "...var många studenter rädda för Luria som hade rykte om sig att vara arroganta mot människor som hade fel." Men som höstterminen bar på, såg Watson "inga bevis för den ryktade hänsynslösheten mot dimwits." Utan några egentliga reservationer (förutom enstaka rädsla för att han inte var tillräckligt ljus för att röra sig i sin krets) frågade han Luria om han kunde forska under hans ledning under vårterminen. Luria sa omedelbart ja och gav Watson uppgiften att studera röntgeninducerad multiplicitetsreaktivering av fag enligt beskrivningen ovan. Den enda andra vetenskapsmannen i Lurias labb vid den tiden, som Watson delade en labbbänk med, var Renato Dulbecco (en framtida medlem av faggruppen), som nyligen hade anlänt från Italien för att göra experiment på fagmultiplicitet reaktivering. Senare samma termin (1948) träffade Watson, för första gången, Delbruck som var på besök i Luria. Watson skrev "Nästan från Delbrucks första mening visste jag att jag inte skulle bli besviken. Han slog inte runt busken och avsikten med hans ord var alltid tydlig. Men ännu viktigare för mig var hans ungdomliga utseende och ande." Watson noterade att vid detta tillfälle, liksom vid många efterföljande tillfällen, talade Delbruck om Bohr (fysikern) och hans övertygelse om att en komplementaritetsprincip, kanske som den som behövs för att förstå kvantmekaniken, skulle vara nyckeln till den verkliga förståelsen av biologi.

År 1950 utarbetade Renato Dulbecco nu på Caltech med Delbrück en procedur för att analysera djurviruspartiklar genom att de bildar plack på ett ark av odlade celler, precis som fager bildar plack på en gräsmatta av bakterieceller. Denna procedur satte scenen för Dulbecco att implementera ett omfattande forskningsprogram för kvantitativa studier på djurvirus för att förstå deras intracellulära reproduktionscykel. Detta verk uppmärksammades av Nobelpriset 1975.

Matthew Meselson (1930– ) och Franklin Stahl (1929– )

Efter upptäckten av DNA:s struktur 1953 var det fortfarande oklart hur DNA replikerades. Den gynnade modellen vid den tiden var semi-konservativ replikering, men experimentella bevis behövdes. Meselson -Stahl-experimentet , utfört av Matthew Meselson och Franklin Stahl 1958, var nyckelexperimentet som gav övertygande bevis för semi-konservativ replikering, den mekanism som nu är känd för att vara korrekt. Meselson och Stahl beskrev omständigheterna som ledde till detta nyckelexperiment. Det har sedan dess beskrivits som "det vackraste experimentet inom biologi." Dess skönhet är knuten till enkelheten i resultatet, även om rutten som ledde till experimentet var långt ifrån enkel.

Seymour Benzer (1921–2007) och Jean Weigle (1901–1968)

Som beskrivs i en retrospektiv artikel gick Seymour Benzer med i Delbrücks faggrupp vid Caltech 1949 som postdoktor. Där delade han ett labbrum med Jean Weigle där de gjorde samarbetsexperiment på fag T4. När han lämnade Caltech, fortsatte Benzer experiment på fag T4 vid Pasteur Institute i Paris och sedan Purdue University där han utvecklade ett system för att studera genens fina struktur med hjälp av mutanter som är defekta i generna rIIA och rIIB. Dessa genetiska experiment, som involverade korsningar av rII-mutanter, ledde till upptäckten av en unik linjär ordning av mutationsställen inom generna. Detta resultat gav starka bevis för nyckelidén att genen har en linjär struktur som motsvarar en längd av DNA med många platser som oberoende kan mutera.

År 1952 hade Salvador Luria upptäckt fenomenet "restriktionsmodifiering" (modifieringen av fager som växer inom en infekterad bakterie, så att vid frisättning och återinfektion av en besläktad bakterie är fagens tillväxt begränsad) (beskrivs av Luria, sid. 45 och 99). Weigle, i samarbete med Giuseppe Bertani och Werner Arber , klargjorde snart grunden för detta fenomen. De visade att restriktion faktiskt berodde på attack av specifika bakteriella enzymer på den modifierade fagens DNA. Detta arbete ledde till upptäckten av den klass av enzymer som nu kallas " restriktionsenzymer ". Dessa enzymer möjliggjorde kontrollerad manipulation av DNA i laboratoriet, vilket gav grunden för utvecklingen av genteknik.

Weigle visade också den inducerbara naturen hos DNA-skada-responsgener i bakterier, ett fenomen som har kommit att kallas SOS-svaret . Detta svar inkluderar DNA-skada-inducerbar mutagenes (kallad Weigle-mutagenes till hans ära) och inducerbar reparation efter DNA-skada (kallad Weigle-reaktivering).

Sydney Brenner (1927–2019) och Gunther Stent (1924–2008)

1961 samarbetade Sydney Brenner , en tidig medlem av faggruppen, med Francis Crick, Leslie Barnett och Richard Watts-Tobin vid Cavendish Laboratory i Cambridge för att utföra genetiska experiment som visade den grundläggande naturen hos den genetiska koden för proteiner. Dessa experiment, utförda med mutanter av rIIB-genen från fag T4, visade att för en gen som kodar för ett protein specificerar tre sekventiella baser av genens DNA varje successiv aminosyra i proteinet. Den genetiska koden är alltså en triplettkod, där varje triplett (kallat kodon) specificerar en viss aminosyra. De fick också bevis för att kodonen inte överlappar varandra i DNA-sekvensen som kodar för ett protein, och att en sådan sekvens läses från en fast utgångspunkt.

Gunther Stent gick med i faggruppen 1948 efter att ha gått deras fagkurs i Cold Spring Harbor, New York. De pågående informella diskussionerna mellan dessa arbetare om framstegen i deras forskning ledde till en bok av Stent med titeln Molecular Biology of Bacterial Viruses (tillägnad Max Delbrück) som var en klar redogörelse för framgångarna på detta framväxande område fram till 1963. Senare, i hans memoarer, Stent (1998) beskrev några av de aktiviteter och personliga interaktioner som illustrerade den unika intellektuella andan hos faggruppen under dess tidiga avgörande år (1948-1950).

Max Delbrücks roll

Delbrück, genom sin charm och entusiasm, förde många biologer (och fysiker) in i fagforskningen i början av 1940-talet (se: Charles Steinberg ). 1944 främjade Delbrück "Fagfördraget", en uppmaning till fagforskare att fokusera på ett begränsat antal fag- och bakteriestammar, med standardiserade experimentella förhållanden. Detta bidrog till att göra forskning från olika laboratorier lättare jämförbar och replikerbar, vilket bidrog till att förena området för bakteriell genetik .

Fagkurs på Cold Spring Harbor Laboratory och på Caltech

Förutom direkta samarbeten härrörde faggruppens främsta arv från den årliga sommarfagkursen som undervisas på Cold Spring Harbor Laboratory och undervisas sporadiskt på Caltech. Med början 1945 lärde Delbrück och andra unga biologer grunderna i fagbiologi och experiment, och ingjutade faggruppens distinkta matematik- och fysikorienterade inställning till biologi. Många av ledarna för det framväxande området molekylärbiologi var alumner på fagkursen, som fortsatte att undervisas under 1950- och 1960-talen.

1995 publicerade Millard Susman en retrospektiv artikel om fagförloppet som det gavs under åren (1945 – 1970) både vid Cold Spring Harbor (New York) och vid California Institute of Technology. Artikeln listar många av kursens utexaminerade, beskriver några av deras prestationer och ger intressanta anekdoter relaterade till kursen. Richard Feynman , den framstående Caltech-teoretiske fysikern, lärde sig att arbeta med fager under sommaren 1961 med hjälp av Charles M. Steinberg , och hans experimentella resultat inkluderades i en publikation av Edgar et al.

Villkorliga dödliga mutanter

Isoleringen av villkorliga dödliga mutanter av fag under 1962-1964 av faggruppmedlemmarna gav en möjlighet att studera funktionen hos praktiskt taget alla gener som är nödvändiga för tillväxt av fagen under laboratorieförhållanden. En klass av villkorliga dödliga mutanter kallas bärnstensmutanter . Dessa mutanter isolerades och karakteriserades genetiskt av Richard Epstein, Antoinette Bolle och Charles M. Steinberg 1962 (även om publiceringen av deras initiala fynd försenades i 50 år: se Epstein et al., 2012.). En mer fullständig genetisk karakterisering av bärnstensmutanterna beskrevs av Epstein et al. 1964. En annan klass av villkorliga dödliga mutanter, kallade temperaturkänsliga mutanter, erhölls av Robert Edgar och Ilga Lielausis. Studier av dessa två klasser av mutanter ledde till avsevärd insikt i många grundläggande biologiska problem. På så sätt uppnåddes förståelse för funktionerna och växelverkan mellan de proteiner som används i maskineriet för DNA-replikation, reparation och rekombination, och om hur virus sätts ihop från protein- och nukleinsyrakomponenter (molekylär morfogenes). Vidare klargjordes rollen av kedjeavslutande kodon. En anmärkningsvärd studie utfördes av Sydney Brenner och medarbetare med användning av bärnstensmutanter som är defekta i genen som kodar för huvudproteinet i fag T4. Detta experiment gav starka bevis för den utbredda, men före 1964 fortfarande obevisade "sekvenshypotesen" att aminosyrasekvensen för ett protein specificeras av nukleotidsekvensen för genen som bestämmer proteinet. Således visade denna studie ko-lineariteten hos genen med dess kodade polypeptid.

Vidare läsning

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Phage_group&oldid=1143257816 "