Альбрехт Коссель: пионер науки, который расшифровал химию нуклеиновых кислот и заложил основы клеточной биологии (1910)

Информационная карта Нобеля

• Год награды: 1910
• Область: Физиология или медицина
• Обоснование награды: За его вклад в наше понимание клеточной химии, включая белки и нуклеиновые кислоты.
• Родился: 16 сентября 1853, Росток, Германия
• Умер: 5 июля 1927, Гейдельберг, Германия
• Национальность: Немецкая
• Учреждение: Гейдельбергский университет

Жизнь и образование

Людвиг Карл Мартин Леонард Альбрехт Коссель родился 16 сентября 1853 года в Ростоке, городе на северном побережье Германии. Его отец, Альбрехт Карл Людвиг Энох Коссель, был консулом Пруссии и директором судоходной компании. Мать, Клара Йеппе, происходила из культивированной буржуазной семьи. Маленький ганзейский город Росток, расположенный на Балтийском море, обладал престижным университетом и обеспечивал плодотворную среду для интеллектуального развития молодого Косселя.

Коссель получил полное классическое образование в гимназии в Ростоке. С раннего возраста он проявлял интерес к естественным наукам; особенно его увлекая химией и ботаникой. В 1872 году он поступил в Страсбургский университет для изучения медицины. После Франко-прусской войны 1871 года Страсбург присоединился к Германской империи, и его университет был реорганизован как одно из самых современных научных учреждений Германии.

В Страсбурге Коссель присоединился к лаборатории Феликса Хоппе-Зейлера, одного из ведущих физиологов того времени. Хоппе-Зейлер был одним из основателей физиологической химии (современной биохимии) и провел первопроходящие исследования по гемоглобину, лецитину и холестерину. Под руководством Хоппе-Зейлера Коссель приобрел навыки в химическом анализе биологических веществ. Он получил медицинскую степень в Страсбургском университете в 1878 году.

Переломным моментом в карьере Косселя стало его знакомство с открытием Фридриха Миешера в лаборатории Хоппе-Зейлера. В 1869 году Миешер выделил богатое фосфором вещество из ядер лейкоцитов, которое он назвал нуклеином. Это вещество обладало свойствами, отличными от известных белков и липидов, и, как казалось, было фундаментальным компонентом клеточного ядра. Хоппе-Зейлер опубликовал работу Миешера и подчеркнул огромное значение выяснения химической структуры этого нового вещества. Коссель принял этот вызов.

В 1883 году он переехал в Берлин и стал руководителем химического отдела в Институте физиологии Эмиля дю Буа-Реймона. В 1895 году его назначили профессором физиологии Марбургского университета. В 1901 году он перешел в Гейдельбергский университет, где провел самый плодотворный период своей карьеры в качестве директора Института физиологии. Личная жизнь Косселя была стабильной; он женился на Луизе Хольцман в 1886 году, и у них родились сын Вальтер, дочь Гертрауда и еще одна дочь. Его сын Вальтер позже также внес важный вклад в химию.

Исследовательские исследования

В центре научной карьеры Косселя было раскрытие химической композиции клеточного ядра. Разоблачение химической структуры нуклеиновой кислоты, открытой Мишером, стало основой долголетней исследовательской программы Косселя. Эта работа была одной из самых сложных и важных проблем биохимии в конце XIX века.

Развивая открытия Фридриха Мишера, Коссель применил систематический гидролиз для выявления структурных компонентов нуклеиновых кислот. Он разлагал нуклеиновые кислоты в контролируемых условиях, изолировал и охарактеризовал полученные продукты. В результате этой кропотливой работы он обнаружил, что нуклеиновые кислоты состоят из четырёх основных азотистых оснований. Он идентифицировал аденин в 1885 году, тимин в 1891 году и цитозин в 1894 году. Гуанин уже был известен, но Коссель подтвердил, что он является фундаментальным компонентом нуклеиновых кислот. Он также идентифицировал урацил и показал, что он заменяет тимин в некоторых типах нуклеиновых кислот.

Эти открытия заложили основу для химии нуклеиновых кислот. Коссель определил структуры аденина, гуанина, цитозина, тимина и урацила и показал, что они делятся на две химические группы: пурины (аденин, гуанин) и пиримидины (цитозин, тимин, урацил). Эта классификация до сих пор преподносится в учебниках биохимии и молекулярной биологии.

Еще одним важным вкладом Косселя стало открытие и описание гистонов. Гистоны — это базовые белки, тесно связанные с нуклеиновыми кислотами в клеточном ядре. Коссель проанализировал аминокислотный состав гистонов и показал, что они богаты базовыми аминокислотами, такими как аргинин и лизин. Эта работа стала первым шагом к пониманию взаимодействия гистонов с ДНК; сегодня мы знаем, что гистоны играют критически важную роль в упаковке ДНК в хроматин и в регуляции экспрессии генов.

Коссель внес значительный вклад в область белковой химии. Он завершил открытие аргинина и идентифицировал аминокислоту гистидин. Он изучал разнообразие и распределение аминокислот, которые являются строительными блоками белков. Эти исследования заложили основы белковой химии и проложили путь для дальнейших работ Эмиля Фишера по синтезу пептидов.

Открытие, приведшее к Нобелевской премии.

(Note: This is a direct translation. Depending on context, it could also be translated as "Обнаружение, которое привело к Нобелевской премии" or other similar variations to sound more natural in Russian.)

Работа, принесшая Косселю Нобелевскую премию, была направлена на поиск ответов на фундаментальные проблемы клеточной химии: из чего состоит ядро клетки? Какова химическая природа генетического материала? Как организованы белки и нуклеиновые кислоты в клетке? Эти вопросы были одними из самых захватывающих тем исследований в биохимии на начале 20-го века.

Исследования Косселя в области нуклеиновых кислот были сопряжены со многими техническими трудностями. Извлечение нуклеиновых кислот в чистом виде, их разрушение в контролируемых условиях и идентификация продуктов разрушения представляли собой чрезвычайно сложные задачи с учетом методов аналитической химии того времени. Коссель преодолел эти трудности благодаря терпеливой и систематической работе. Он охарактеризовал каждый азотистый основание путем его кристаллизации в различных растворителях, проведения элементного анализа и изучения его химической реактивности.

Коссель также показал, что нуклеиновые кислоты не состоят исключительно из азотистых оснований. Он установил, что нуклеиновые кислоты содержат также сахарный компонент и фосфорную кислоту. Полное решение задачи по химическому строению сахарного компонента было, однако, завершено позже Фебом Левеном. Левен идентифицировал рибонуклеозид и дезоксирибонуклеозид и раскрыл структурное различие между РНК и ДНК. Работа Косселя заложила незаменимый фундамент для исследований Левена.

Исследования Косселя по гистонам также сыграли важную роль в оценке Нобелевской премией. Он показал, что гистоны связаны с более простыми базовыми белками, называемыми протаминами. Коссель проанализировал аминокислотный состав протаминов, обнаруженных в сперматозоидах рыб, и установил, что они состоят почти целиком из аминокислоты аргинина. Эти исследования пролили свет на химическую природу комплексов белок-нуклеиновая кислота в клеточных ядрах.

Коссель также открыл фермент ксантиноксидазу и выявил ферментативные пути метаболизма пуринов. Эта работа внесла вклад в понимание патогенеза подагры. Его исследования метаболизма нуклеотидов заложили основы для этой важной области биохимии.

Награды и Последствия

В 1910 году Нобелевская премия по физиологии или медицине была присуждена Альбрехту Косселю за его вклад в химию клеток, включая белки и нуклеиновые кислоты. Коссель лично получил награду на церемонии в Стокгольме. В своей нобелевской лекции он изложил фундаментальные проблемы химии клеток и биологическое значение нуклеиновых кислот. Он отметил, что исследования все еще находятся на ранней стадии и что понимание биологической роли нуклеиновых кислот останется за будущими поколениями.

После получения Нобелевской премии Коссель продолжил свои исследования в Гейдельберге. Он углубил изучение химии белков и разработал теоретические концепции, связанные со структурной организацией белков. В 1911 году он работал над методами анализа пептидных связей для определения строительных блоков белков. В этот период он также уделял большое внимание международному научному сотрудничеству, читая лекции во многих странах, включая Соединенные Штаты.

Первая мировая война негативно повлияла на карьеру Косселя. Международное научное общение было нарушено, а исследовательские ресурсы ограничены. После экономического краха Германии после войны условия в университетских лабораториях значительно ухудшились. Однако Коссель продолжал поддерживать свою научную продуктивность, несмотря на эти сложные обстоятельства.

Коссел вышел на пенсию из Гейдельбергского университета в 1924 году, но продолжил свою исследовательскую деятельность. Он умер в Гейдельберге 5 июля 1927 года в возрасте семьидесяти трёх лет. Его смерть была воспринята как большая потеря для мира биохимии.

Наследие и влияние на современность

Научное наследие Альбрехта Косселя продолжает жить в основах молекулярной биологии и генетики. Открытие аденина, гуанина, цитозина, тимина и урацила стало первым и самым важным шагом к пониманию структуры ДНК и РНК. Когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик представили свою модель двойной спирали ДНК в 1953 году, многие из лежащих в её основе химических знаний были тесно связаны с работами Косселя, сделанными полвека назад.

Исследования гистонов Косселем заложили основы области эпигенетики. Понимание того, что взаимодействие между гистонами и ДНК регулирует экспрессию генов, привело к возникновению эпигенетики в конце XX века. Современные расширения традиций исследований, начатых Косселем, включают модификации гистонов (ацетилирование, метилирование, фосфорилирование), гипотезу гистонного кода и динамику хроматина.

Химия нуклеиновых кислот стала одной из самых динамичных областей медицины сегодня. Вакцины на основе мРНК, генная терапия, технология редактирования генов CRISPR и нуклеотидные препараты — все это продукты научной традиции, начавшейся с усилий Косселя по разгадке химической структуры нуклеиновых кислот. Миллионы жизней, спасенных благодаря вакцинам на основе мРНК во время пандемии COVID-19, являются ярким примером медицинских применений химии нуклеиновых кислот.

Исследования Косселя в области аминокислот заложили основы протеиновой химии и протеомики. Понимание связи между структурой белков и их функцией составляет основу современного проектирования лекарственных препаратов.

Малоизвестные факты

• Когда Коссель обнаружил четыре основных азотистых основания нуклеиновых кислот, он не знал, что эти вещества несут генетическую информацию. Прошло несколько десятилетий, и только в 1944 году эксперименты Эвери, Маклода и Маккарти подтвердили, что ДНК является материалом, переносящим генетическую информацию.
• Вальтер Коссель, выдающийся учёный в области физики, известен своими значительными вкладом в теорию химического связи. Модель Косселя носит его имя.
• Открытие Фридрихом Миешером нуклеина сильно вдохновило Косселя. Миешер умер в молодом возрасте, и Коссель продолжил его исследования нуклеина.
• Коссель был чрезвычайно методичным и тщательным исследователем. Он вел подробные записи о каждом эксперименте в своей лаборатории, и эти записи являются бесценными первичными источниками для историков науки.
• Исследователи со всего мира устремились в лабораторию Гейдельберга. Американские, британские и японские биохимики обучались под руководством Косселя и после возвращения на родину создали собственные исследовательские программы.
• В то время, когда биологическая значимость нуклеиновых кислот была ещё неясна, работал Коссель. Тогда многие учёные считали, что генетическая информация переносится белками, роль нуклеиновых кислот недооценивалась.
• В своей Нобелевской лекции Коссель заявил, что исследования находятся лишь на самом начале. Это скромное утверждение оказалось поразительно точным; полная расшифровка нуклеиновых кислот была завершена только через тридцать лет после его смерти.