Albrecht Kossel: Il pioniere della scienza che decifrò la chimica degli acidi nucleici e pose le basi della biologia cellulare (1910)

Carta Informativa Nobel

• Anno di assegnazione: 1910
• Settore: Fisiologia o Medicina
• Motivazione del premio: Per i suoi contributi alla nostra conoscenza della chimica cellulare, inclusi proteine e acidi nucleici.
• Nato: 16 settembre 1853, Rostock, Germania
• Decesso: 5 luglio 1927, Heidelberg, Germania
• Nazionalità: Tedesca
• Istituzione: Università di Heidelberg

Vita e Istruzione

Ludwig Karl Martin Leonhard Albrecht Kossel nacque il 16 settembre 1853 a Rostock, una città sulla costa settentrionale della Germania. Suo padre, Albrecht Karl Ludwig Enoch Kossel, era un console per la Prussia e direttore di una compagnia di navigazione. Sua madre, Clara Jeppe, proveniva da una famiglia borghese colta. La piccola città anseatica di Rostock, affacciata sul Mar Baltico, vantava un'università prestigiosa e offriva un ambiente fertile per lo sviluppo intellettuale del giovane Kossel.

Kossel ricevette una solida formazione classica al ginnasio di Rostock. Sviluppò un precoce interesse per le scienze naturali; era particolarmente entusiasta di chimica e botanica. Nel 1872, si iscrisse all'Università di Strasburgo per iniziare i suoi studi medici. Dopo la guerra franco-prussiana del 1871, Strasburgo era entrata a far parte dell'Impero tedesco e la sua università era stata riorganizzata come una delle istituzioni scientifiche più moderne della Germania.

A Strasburgo, Kossel entrò nel laboratorio di Felix Hoppe-Seyler, uno dei principali fisiologi dell'epoca. Hoppe-Seyler era uno dei fondatori della chimica fisiologica (la moderna biochimica) e aveva svolto un lavoro pionieristico sull'emoglobina, la lecitina e il colesterolo. Sotto la guida di Hoppe-Seyler, Kossel acquisì competenze nell'analisi chimica delle sostanze biologiche. Ottenne la sua laurea in medicina dall'Università di Strasburgo nel 1878.

Il punto di svolta nella carriera di Kossel fu l'incontro con la scoperta di Friedrich Miescher nel laboratorio di Hoppe-Seyler. Miescher aveva isolato una sostanza ricca di fosforo dai nuclei dei leucociti nel 1869, che chiamò nucleina. Questa sostanza presentava proprietà diverse dalle proteine e dai lipidi conosciuti e sembrava essere un componente fondamentale del nucleo cellulare. Hoppe-Seyler pubblicò il lavoro di Miescher e sottolineò l'enorme importanza della chiarificazione della struttura chimica di questa nuova sostanza. Kossel raccolse la sfida.

Nel 1883 si trasferì a Berlino e divenne capo del dipartimento di chimica presso l'Istituto di Fisiologia di Emil du Bois-Reymond. Nel 1895 fu nominato professore di fisiologia all'Università di Marburg. Nel 1901 fu chiamato all'Università di Heidelberg, dove trascorse il periodo più produttivo della sua carriera come direttore dell'Istituto di Fisiologia. La vita privata di Kossel fu stabile; sposò Luise Holtzman nel 1886 e da questo matrimonio nacquero Walther, Gertrude e una figlia. Suo figlio Walther avrebbe poi apportato importanti contributi alla chimica.

Studi di ricerca

Al centro della carriera scientifica di Kossel vi fu l'elucidazione della composizione chimica del nucleo cellulare. La risoluzione della struttura chimica della sostanza nucleare scoperta da Miescher costituì la base per il programma di ricerca che Kossel condusse per tutta la vita. Questo lavoro rappresentò uno dei problemi più complessi e importanti della biochimica alla fine del XIX secolo.

Sviluppando le scoperte di Friedrich Miescher, Kossel adottò un approccio sistematico all'idrolisi per identificare i componenti strutturali degli acidi nucleici. Smontò gli acidi nucleici in condizioni controllate e isolò e caratterizzò i prodotti risultanti. Grazie a questo meticoloso lavoro, scoprì che gli acidi nucleici sono costituiti da quattro basi azotate fondamentali. Identificò l'adenina nel 1885, la timina nel 1891 e la citosina nel 1894. La guanina era già nota, ma Kossel confermò che era un componente fondamentale degli acidi nucleici. Identificò anche l'uracile e dimostrò che sostituisce la timina in alcuni tipi di acido nucleico.

Queste scoperte posero le basi per la chimica degli acidi nucleici. Kossel determinò la struttura di adenina, guanina, citosina, timina e uracile e dimostrò che rientrano in due gruppi chimici: purine (adenina, guanina) e pirimidine (citosina, timina, uracile). Questa classificazione è ancora insegnata oggi nei libri di testo di biochimica e biologia molecolare.

Un'altra importante contribuzione di Kossel fu la scoperta e la caratterizzazione delle istone. Le istone sono proteine basiche strettamente associate agli acidi nucleici nel nucleo cellulare. Kossel analizzò la composizione aminoacidica delle istone e dimostrò che sono ricche di amminoacidi basici come l'arginina e la lisina. Questo lavoro rappresentò il primo passo verso la comprensione dell'interazione istone-DNA; oggi sappiamo che le istone svolgono un ruolo cruciale nell'impacchettamento del DNA nella cromatina e nella regolazione dell'espressione genica.

Kossel ha apportato significativi contributi nel campo della chimica delle proteine. Ha completato la scoperta dell'arginina e identificato l'acido amminoacidico istidina. Ha studiato la diversità e la distribuzione degli amminoacidi, che sono i mattoni delle proteine. Questi studi hanno posto le basi per la chimica delle proteine e aperto la strada ai futuri lavori di Emil Fischer sulla sintesi dei peptidi.

La scoperta che ha portato al Premio Nobel

Il lavoro che valse a Kossel il Premio Nobel cercava risposte a problemi fondamentali della chimica cellulare: di cosa era composto il nucleo di una cellula? Qual era la natura chimica del materiale genetico? Come erano organizzate le proteine e gli acidi nucleici all'interno della cellula? Queste domande erano tra gli argomenti di ricerca più stimolanti in biochimica all'inizio del XX secolo.

La ricerca di Kossel sulle acidi nucleici dovette superare molte difficoltà tecniche. Isolare gli acidi nucleici in forma pura, scomporli in condizioni controllate e identificare i prodotti della decomposizione era estremamente impegnativo con i metodi di chimica analitica dell'epoca. Kossel superò queste difficoltà attraverso un lavoro paziente e sistematico. Caratterizzò ogni base azotata cristallizzandola in vari solventi, eseguendo analisi elementari e studiando la sua reattività chimica.

Kossel dimostrò inoltre che gli acidi nucleici non sono costituiti esclusivamente da basi azotate. Determinò che gli acidi nucleici contengono anche un componente zuccherino e acido fosforico. Tuttavia, il lavoro di risolvere completamente la struttura chimica del componente zuccherino fu successivamente completato da Phoebus Levene. Levene identificò gli zuccheri ribosio e desossiribosio e rivelò la differenza strutturale tra RNA e DNA. Il lavoro di Kossel fornì una base indispensabile per le ricerche di Levene.

Le ricerche di Kossel sulle istone hanno svolto anche un ruolo importante nella valutazione del Premio Nobel. Dimostrò che le istone sono associate a proteine basiche più semplici chiamate protamine. Kossel analizzò la composizione degli amminoacidi delle protamine presenti nelle cellule spermatiche dei pesci e scoprì che sono composte quasi interamente dall'amminoacido arginina. Questi studi gettarono luce sulla natura chimica dei complessi proteina-acido nucleico nei nuclei cellulari.

Kossel ha scoperto anche l'enzima xantina ossidasi e identificato i percorsi enzimatici del metabolismo dei purini. Questo lavoro ha contribuito alla comprensione della patogenesi della gotta. I suoi studi sul metabolismo dei nucleotidi hanno posto le basi per questo importante campo della biochimica.

Premi e conseguenze

Nel 1910, il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina fu assegnato ad Albrecht Kossel per i suoi contributi alla chimica cellulare, inclusi proteine e acidi nucleici. Kossel ricevette il premio di persona durante la cerimonia a Stoccolma. Nella sua lezione Nobel, spiegò i problemi fondamentali della chimica cellulare e l'importanza biologica degli acidi nucleici. Notò che la ricerca era ancora nelle sue fasi iniziali e che comprendere il ruolo biologico degli acidi nucleici sarebbe stato lasciato alle generazioni future.

Dopo aver ricevuto il Premio Nobel, Kossel continuò le sue ricerche a Heidelberg. Approfondì i suoi studi sulla chimica delle proteine e sviluppò quadri teorici relativi all'organizzazione strutturale delle proteine. Nel 1911, lavorò su metodi per analizzare i legami peptidici per determinare i blocchi costruttivi delle proteine. Durante questo periodo, enfatizzò anche molto le collaborazioni scientifiche internazionali, tenendo conferenze in molti paesi, tra cui gli Stati Uniti.

La Prima Guerra Mondiale ebbe un impatto negativo sulla carriera di Kossel. La comunicazione scientifica internazionale fu interrotta e le risorse per la ricerca divennero limitate. Le condizioni nei laboratori universitari peggiorarono significativamente dopo il collasso economico della Germania nel periodo post-bellico. Tuttavia, Kossel continuò a mantenere la sua produttività scientifica nonostante queste difficili circostanze.

Kossel si ritirò dall'Università di Heidelberg nel 1924 ma continuò le sue attività di ricerca. Morì a Heidelberg il 5 luglio 1927 all'età di settantatré anni. La sua morte fu considerata una grande perdita per il mondo della biochimica.

Eredità e influenza ai giorni nostri

Il lascito scientifico di Albrecht Kossel continua a vivere nelle fondamenta dei campi della biologia molecolare e della genetica. La scoperta dell'adenina, guanina, citosina, timina e uracile fu il primo e più cruciale passo verso la comprensione della struttura del DNA e dell'RNA. Quando James Watson e Francis Crick presentarono il loro modello a doppia elica del DNA nel 1953, gran parte delle conoscenze chimiche alla base si basava pesantemente sul lavoro di Kossel mezzo secolo prima.

La ricerca sugli istoni condotta da Kossel ha posto le basi per il campo dell'epigenetica. La comprensione del fatto che le interazioni tra istoni e DNA regolano l'espressione genica ha portato all'emergere dell'epigenetica alla fine del XX secolo. Le modificazioni degli istoni (acetilazione, metilazione, fosforilazione), l'ipotesi del codice istonico e la dinamica della cromatina sono estensioni moderne della tradizione di ricerca iniziata da Kossel.

La chimica degli acidi nucleici è diventata uno dei campi più dinamici della medicina odierna. I vaccini a RNA messaggero, la terapia genica, la tecnologia di editing genetico CRISPR e i farmaci a base di nucleotidi sono tutti prodotti della tradizione scientifica iniziata con gli sforzi di Kossel per svelare la struttura chimica degli acidi nucleici. I milioni di vite salvate dai vaccini a RNA messaggero durante la pandemia di COVID-19 sono un esempio lampante delle applicazioni mediche della chimica degli acidi nucleici.

La ricerca di Kossel sugli amminoacidi ha posto le basi della chimica delle proteine e della proteomica. Comprendere la relazione tra struttura proteica e funzione costituisce il fondamento del moderno disegno dei farmaci.

Fatti meno noti

• Quando Kossel scoprì le quattro basi azotate fondamentali degli acidi nucleici, non era consapevole che queste sostanze trasportassero informazioni genetiche. Sarebbero passati decenni prima che gli esperimenti di Avery, MacLeod e McCarty confermassero, nel 1944, che il DNA era il materiale portatore delle informazioni genetiche.
• Walther Kossel, un noto scienziato nel campo della fisica, è diventato famoso per i suoi significativi contributi alla teoria del legame chimico. Il modello di Kossel porta il suo nome.
• La scoperta del nucleina da parte di Friedrich Miescher fu una grande fonte d'ispirazione per Kossel. Miescher era deceduto in giovane età e Kossel prese in mano le sue ricerche sul nucleina.
• Kossel era un ricercatore estremamente metodico e meticoloso. Teneva registri dettagliati di ogni esperimento nel suo laboratorio, e quei registri costituiscono fonti primarie inestimabili per gli storici della scienza.
• Ricercatori da tutto il mondo accorsero al laboratorio di Heidelberg. Biochemici americani, britannici e giapponesi studiarono sotto la guida di Kossel e, una volta tornati nei loro paesi, avviarono i propri programmi di ricerca.
• In quel periodo, quando il significato biologico degli acidi nucleici era ancora poco chiaro, lavorava Kossel. All'epoca molti scienziati credevano che le informazioni genetiche fossero trasportate dalle proteine; il ruolo degli acidi nucleici era sottovalutato.
• Nella sua lezione per il Nobel, Kossel affermò che la ricerca era ancora alle sue prime fasi. Questa valutazione moderata si rivelò sorprendentemente accurata; gli acidi nucleici sarebbero stati completamente decifrati solo trent'anni dopo la sua morte.