Карл Ричард Вёзе ( / ˈ w oʊ z / ; [3] 15 июля 1928 г. – 30 декабря 2012 г.) был американским микробиологом и биофизиком . Вёзе известен тем, что в 1977 году определил археи (новый домен жизни) с помощью новаторской филогенетической таксономии рибосомальной РНК 16S , метода, который произвел революцию в микробиологии. [4] [5] [6] [7] Он также создал гипотезу мира РНК в 1967 году, хотя и не под этим названием. [8] Вёзе занимал кафедру Стэнли О. Айкенберри и был профессором микробиологии в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне . [9] [10] [11]
Вёзе родился в Сиракузах, штат Нью-Йорк, 15 июля 1928 года. Его семья была немецко-американской . Вёзе учился в Академии Дирфилда в Массачусетсе . Он получил степень бакалавра по математике и физике в колледже Амхерста в 1950 году. Во время своего обучения в Амхерсте Вёзе прослушал только один курс по биологии ( биохимия , на последнем курсе) и «не имел научного интереса к растениям и животным», пока Уильям М. Фэрбэнк , тогда доцент кафедры физики в Амхерсте, не посоветовал ему заняться биофизикой в Йельском университете . [12]
В 1953 году он получил степень доктора философии по биофизике в Йельском университете , где его докторские исследования были сосредоточены на инактивации вирусов под воздействием тепла и ионизирующего излучения . [13] [14] Он изучал медицину в Рочестерском университете в течение двух лет. [14] Затем он стал постдокторантом по биофизике в Йельском университете, изучая бактериальные споры. [15] С 1960 по 1963 год он работал биофизиком в исследовательской лаборатории General Electric в Скенектади, штат Нью-Йорк . [13] [16] В 1964 году Вёзе присоединился к факультету микробиологии Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, где сосредоточился на археях, геномике и молекулярной эволюции как областях своей специализации. [11] [13] [16] Он стал профессором Института геномной биологии имени Карла Р. Воеза при Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне , который был переименован в его честь в 2015 году после его смерти. [16]
Вёзе умер 30 декабря 2012 года из-за осложнений, вызванных раком поджелудочной железы , оставив в живых жену Габриэллу, сына и дочь. [17] [18] [19]
Вёзе обратил внимание на генетический код , когда создавал свою лабораторию в лаборатории General Electric в Ноллсе осенью 1960 года. [14] Интерес среди физиков и молекулярных биологов начал объединяться вокруг расшифровки соответствия между двадцатью аминокислотами и четырехбуквенным алфавитом оснований нуклеиновых кислот в десятилетие после открытия Джеймсом Д. Уотсоном , Фрэнсисом Криком и Розалинд Франклин структуры ДНК в 1953 году . [1] Вёзе опубликовал серию статей по этой теме. В одной из них он вывел таблицу соответствия между тем, что тогда было известно как «растворимая РНК» и ДНК, на основе их соответствующих соотношений пар оснований . [20] Затем он переоценил экспериментальные данные, связанные с гипотезой о том, что вирусы используют одно основание, а не триплет, для кодирования каждой аминокислоты, и предложил 18 кодонов, правильно предсказав один для пролина . [14] [21] В других работах была установлена механистическая основа трансляции белков, но, по мнению Воеза, в значительной степени игнорировалось эволюционное происхождение генетического кода как второстепенная мысль. [1]
В 1962 году Вёзе провел несколько месяцев в качестве приглашенного исследователя в Институте Пастера в Париже , месте интенсивной деятельности в области молекулярной биологии экспрессии генов и регуляции генов. [14] Находясь в Париже, он встретил Сола Шпигельмана , который пригласил Вёзе посетить Иллинойсский университет , услышав о его исследовательских целях; во время этого визита Шпигельман предложил Вёзе должность с немедленным вступлением в должность, начинающуюся осенью 1964 года. [14] Получив свободу терпеливо заниматься более спекулятивными направлениями исследований за пределами основного направления биологических исследований, Вёзе начал рассматривать генетический код с точки зрения эволюции, задаваясь вопросом, как могли эволюционировать назначения кодонов и их перевод в аминокислотную последовательность. [14] [22]
На протяжении большей части 20-го века прокариоты считались единой группой организмов и классифицировались на основе их биохимии , морфологии и метаболизма . В весьма влиятельной статье 1962 года Роджер Станье и К. Б. ван Нил впервые установили разделение клеточной организации на прокариоты и эукариоты , определив прокариоты как организмы, не имеющие клеточного ядра . [23] [24] Адаптированная из обобщения Эдуарда Шаттона , концепция Станье и Ван Нила была быстро принята как наиболее важное различие между организмами; тем не менее, они скептически относились к попыткам микробиологов построить естественную филогенетическую классификацию бактерий. [25] Однако стало общепринятым считать, что вся жизнь имеет общего прокариотического (подразумевается греческим корнем πρό (про-), прежде, перед, перед) предка. [24] [26]
В 1977 году Вёзе и Джордж Э. Фокс экспериментально опровергли эту общепринятую гипотезу о базовой структуре древа жизни . [27] Вёзе и Фокс открыли вид микробной жизни, которую они назвали «архебактериями» ( Archaea ). [6] Они сообщили, что архебактерии составляют «третье царство» жизни, отличное от бактерий, растений и животных. [6] Определив Archaea как новое «царство» (позднее домен ), которое не было ни бактериями, ни эукариотами, Вёзе перерисовал таксономическое дерево. Его трехдоменная система , основанная на филогенетических связях, а не на очевидных морфологических сходствах, разделила жизнь на 23 основных подразделения, включенных в три домена: Bacteria , Archaea и Eucarya . [4]
Принятие обоснованности филогенетически обоснованной классификации Вёзе было медленным процессом. Известные биологи, включая Сальвадора Лурию и Эрнста Майра, возражали против его разделения прокариот. [28] [29] Не вся критика в его адрес ограничивалась научным уровнем. Десятилетие трудоемкой каталогизации олигонуклеотидов оставило ему репутацию «чудака», а Вёзе впоследствии окрестили «шрамированным революционером микробиологии» в новостной статье, напечатанной в журнале Science . [7] Растущий объем подтверждающих данных привел к тому, что научное сообщество приняло археи к середине 1980-х годов. [14] Сегодня немногие ученые придерживаются идеи единого прокариота.
Работа Вёзе по археям также имеет важное значение для поиска жизни на других планетах. До открытия Вёзе и Фокса ученые считали, что археи были экстремальными организмами, которые произошли от более знакомых нам микроорганизмов. Теперь большинство считает, что они древние и могут иметь прочные эволюционные связи с первыми организмами на Земле. [30] Организмы, похожие на археи, которые существуют в экстремальных условиях, могли развиться на других планетах, некоторые из которых имеют условия, благоприятные для жизни экстремофилов . [31]
Примечательно, что объяснение Вёзе древа жизни показывает подавляющее разнообразие микробных линий: одноклеточные организмы представляют подавляющее большинство генетического, метаболического и экологического разнообразия ниш биосферы. [32] Поскольку микробы имеют решающее значение для многих биогеохимических циклов и для непрерывного функционирования биосферы, усилия Вёзе по выяснению эволюции и разнообразия микробов оказали неоценимую услугу экологам и защитникам природы . Это был важный вклад в теорию эволюции и в наши знания об истории жизни. [1]
Вёзе писал: «Мои эволюционные интересы сосредоточены на бактериях и археях, чья эволюция охватывает большую часть 4,5-миллиардной истории планеты. Используя последовательность рибосомной РНК в качестве эволюционной меры, моя лаборатория реконструировала филогению обеих групп и тем самым предоставила филогенетически обоснованную систему классификации прокариот. Открытие архей было фактически продуктом этих исследований». [13]
Вёзе также размышлял об эпохе быстрой эволюции, в которой между организмами происходил значительный горизонтальный перенос генов . [27] [33] Впервые описанные Вёзе и Фоксом в статье 1977 года и исследованные далее с микробиологом Джейн Гибсон в статье 1980 года, эти организмы, или прогеноты , представлялись как протоклетки с очень низкой сложностью из-за их склонного к ошибкам аппарата трансляции («шумный генетический канал передачи»), который производил высокие скорости мутаций, ограничивающие специфичность клеточного взаимодействия и размер генома. [34] [35] Этот ранний аппарат трансляции производил группу структурно схожих, функционально эквивалентных белков, а не один белок. [27] Кроме того, из-за этой сниженной специфичности все клеточные компоненты были восприимчивы к горизонтальному переносу генов, и быстрая эволюция происходила на уровне экосистемы. [33] [36]
Переход к современным клеткам (« дарвиновский порог ») произошел, когда организмы развили механизмы трансляции с современным уровнем точности: улучшенная производительность позволила клеточной организации достичь уровня сложности и связанности, который сделал гены других организмов гораздо менее способными вытеснять собственные гены индивидуума. [33]
В последующие годы работа Воеза была сосредоточена на геномном анализе для выяснения значения горизонтального переноса генов (ГПГ) для эволюции. [37] Он работал над подробным анализом филогении аминоацил-тРНК-синтетаз и над влиянием горизонтального переноса генов на распределение этих ключевых ферментов среди организмов. [38] Целью исследования было объяснить, как первичные типы клеток (архейные, эубактериальные и эукариотические) эволюционировали из предкового состояния в мире РНК . [13]
Вёзе поделился своими мыслями о прошлом, настоящем и будущем биологии в журнале Current Biology : [12]
«Важные вопросы», с которыми сталкивается биология 21-го века, вытекают из одного вопроса: природа и генерация биологической организации ... Да, Дарвин вернулся, но в компании... ученых, которые могут заглянуть гораздо глубже в глубины биологии, чем это было возможно до сих пор. Это больше не взгляд на эволюцию с точки зрения «10 000 видов птиц» — эволюция рассматривается как процессия форм. Теперь речь идет о самом процессе эволюции. [12]
Я вижу, что вопрос биологической организации сегодня принимает два важных направления. Первое — это эволюция (белковой) клеточной организации, которая включает в себя такие подвопросы, как эволюция трансляционного аппарата и генетического кода, а также происхождение и природа иерархий контроля, которые тонко настраивают и точно связывают между собой все разнообразие клеточных процессов, составляющих клетки. Это также включает в себя вопрос о количестве различных основных типов клеток, которые существуют на Земле сегодня: произошли ли все современные клетки от одной предковой клеточной организации? [12]
Второе основное направление касается природы глобальной экосистемы. . . . Бактерии являются основными организмами на этой планете — по численности, по общей массе, по важности для глобального баланса. Таким образом, именно микробная экология ... больше всего нуждается в развитии, как с точки зрения фактов, необходимых для ее понимания, так и с точки зрения рамок, в которых их можно интерпретировать. [12]
Вёзе считал, что биология играет «важнейшую» роль в обществе. По его мнению, биология должна служить более широкой цели, чем стремление к «инженерной среде»: [12]
То, что было формально признано в физике, теперь должно быть признано в биологии: наука выполняет двойную функцию. С одной стороны, она является слугой общества, атакуя прикладные проблемы, поставленные обществом. С другой стороны, она функционирует как учитель общества, помогая последнему понять свой мир и себя. Именно последняя функция фактически отсутствует сегодня. [12]
Вёзе был стипендиатом Макартура в 1984 году, стал членом Национальной академии наук в 1988 году, получил медаль Левенгука (высшая награда в микробиологии) в 1992 году, премию Сельмана А. Ваксмана по микробиологии в 1995 году от Национальной академии наук , [39] и был обладателем Национальной научной медали в 2000 году. В 2003 году он получил премию Крафорда от Королевской шведской академии наук «за открытие третьего домена жизни». [40] [41] Он был избран в Американское философское общество в 2004 году. [42] В 2006 году он стал иностранным членом Королевского общества . [11]
Многие виды микроорганизмов, такие как Pyrococcus woesei [43] , Methanobrevibacter woesei [ 44] и Conexibacter woesei [45] , названы в его честь.
Микробиолог Джастин Зонненбург из Стэнфордского университета сказал: «Статья 1977 года является одной из самых влиятельных в микробиологии и, возможно, во всей биологии. Она стоит в одном ряду с работами Уотсона , Крика и Дарвина, предоставляя эволюционную основу для невероятного разнообразия микробного мира». [1]
Что касается работы Вёзе по горизонтальному переносу генов как первичному эволюционному процессу, профессор Норман Р. Пейс из Университета Колорадо в Боулдере сказал: «Я думаю, Вёзе сделал для биологии в целом больше, чем любой биолог в истории, включая Дарвина ... Нам ещё многому предстоит научиться, и он блестяще интерпретирует появляющуюся историю». [46]
Карл Вёзе, биофизик и эволюционный микробиолог, чье открытие 35 лет назад 'третьей сферы' жизни в обширном царстве микроорганизмов изменило научное понимание эволюции, умер в воскресенье у себя дома в Урбане, штат Иллинойс. Ему было 84 года. ...