HAMILTON OTHANEL SMITH
(*1931)

V roce 1978 získali Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu Švýcar Werner Arber a Američané Daniel Nathans a Hamilton Othanel Smith – tři molekulární biologové, kteří se zasloužili o poznání restrikčních enzymů.

Na konci dvacátých let 20. století se na střední škole v Panama City na Floridě setkali učitelé Bunnie Othanel Smith a Tommie Naomi Harkeyová a v roce 1929 uzavřeli sňatek. Rok nato byl Bunnie Smith jmenován docentem pedagogiky na Floridské univerzitě v Gainesville, kde se zakrátko narodil první syn Norman. Otec Smith hned v roce 1931 nastoupil ke studijnímu pobytu na newyorské Kolumbijské univerzitě, rodina ho tam následovala a 23. srpna 1931 se v New York City narodil mladší syn Hamilton Othanel.

V roce 1937 přešel otec na Illinoiskou univerzitu ve městě Champaign-Urbana a jako profesor pedagogiky tam zakotvil natrvalo. Jeho synové Norman a Hamilton vyrůstali v prostředí plném klasické klavírní hudby, cizích jazyků, chemie, elektrotechniky, elektroniky a ovšem také fotbalu a basketbalu. Vynikající střední školu, proslavenou třemi absolventy s Nobelovou cenou (vedle Hamiltona také fyzikem Andersonem a ekonomem Tobinem), zvládl mladší Smith za 3 roky, když dvoje poslední letní prázdniny věnoval chemii a fyzice.

Od roku 1948 studoval na Illinoiské univerzitě matematiku. Byl ve druhém ročníku, když ho bratr seznámil s knihou biofyzika Nicolase Rashevského o matematickém modelování drah ústřední nervové soustavy. Hamilton se začetl a hluboké zaujetí ho neopustilo ani po přestupu na Kalifornskou univerzitu v Berkeley roku 1950. Pod dojmem přednášek z buněčné fyziologie, biochemie a biologie, zvláště pak strhujícího uvedení do biochemie sítnice hostujícím Georgem Waldem, se rozhodl pro studium lékařství.

V letech 1952–1956 vystudoval medicínu na baltimorské Univerzitě Johnse Hopkinse. Nastoupil pak jako sekundář v saintlouiské Barnesově nemocnici, během 2. měsíce tam poznal umělecky, zejména hudebně založenou studentku ošetřovatelství Elizabeth Anne Boltonovou a o několik měsíců později se s ní oženil. Hned v červenci 1957 byl povolán do služby v armádě, zvolil válečné námořnictvo a odsloužil 2 roky (1957–1959) v kalifornském San Diegu, kde přemíru volného času vyplnil četbou článků o výzkumu chromozomálních poruch a učebnic genetiky.

Po skončení vojenské služby odešel s manželkou a ročním synem do Detroitu pracovat jako sekundář v Nemocnici Henryho Forda, v jejíž knihovně se mohl pročítat prvními čísly Journal of Molecular Biology, pracemi Jacoba, Monoda, Adelberga, Stenta, fágové školy… Tehdy se rozhodl, že se bude věnovat výzkumu bakteriofága.

V roce 1962, vybaven stipendiem Národních ústavů zdraví, zahájil Hamilton Smith svou badatelskou dráhu v Ústavu lidské genetiky Michiganské univerzity v Ann Arboru, jehož přednosta Myron Levine zkoumal lyzogenii salmonelového fága P22. Smith vykonal s Levinem řadu studií prokazujících sekvenční působení C-genů fága P22, řídících lyzogenizaci, a v roce 1965 s ním objevil gen řídící připojení profága (A Phage P22 Gene Controlling Integration of Prophage. Virology 1967; 31: 207–216; s Levinem). Ze studijního pobytu u Wernera Arbera v Ženevě posílal Levine Smithovi zprávy o Arberově výzkumu restrikce a modifikace u bakterií.

V roce 1967 nastoupil Hamilton Smith na Univerzitě Johnse Hopkinse jako docent mikrobiologie a pokračoval ve výzkumu bakteriofágů studiemi enzymů restrikce a modifikace, enzymologie genetické rekombinace, mechanismu bakteriální transformace a genetické regulace u prokaryot i eukaryot. Z bakterie Haemophilus influenzae s Kentem W. Wilcoxem izoloval a charakterizoval první restrikční endonukleázu typu II, enzym s restrikční aktivitou oddělenou od modifikační aktivity, štěpící DNA vždy předvídatelně uvnitř rozpoznávací sekvence (A Restriction Enzyme from Haemophilus influenzae. I. Purification and General Properties. J Mol Biol 1970; 51: 379–391; s Wilcoxem), a s Thomasem J. Kellym juniorem určil sekvenci jejího štěpného místa (A Restriction Enzyme from Haemophilus influenzae. II. Base Sequence of the Recognition Site. J Mol Biol 1970; 51: 393–409; s Kellym Jr.).

Objev enzymu, jímž H. influenzae degraduje DNA jiných buněk, popsal Smith už roku 1969 v dopise baltimorskému kolegovi Danieli Nathansovi, studujícímu tehdy v izraelském Rechovotu opičí virus SV40, a zmínil předpoklad, že enzym štěpí DNA ve specifických místech. Nathans chápal význam štěpení pro mapování struktury DNA. Když se vrátil do Ameriky se značkovanou DNA viru SV40, zkoušel se studentem Stuartem Adlerem tuto DNA štěpit všemi známými restrikčními enzymy a začal s enzymem E. coli B, ten však DNA neštěpil ve specifických místech. Smith a jeho „postdoc“ Thomas Kelly mezitím už věděli, že restrikční enzym bakterie H. influenzae štěpí DNA pouze ve specifických místech sestávajících z krátkých definovaných nukleotidových sekvencí. Význam specifických fragmentů pro výzkum však nedocenili, po uveřejnění objevu v roce 1970 se zaměřili na jiná témata a vyklidili tak pole Nathansovi, aby se studentkou Kathleen Dannaovou tento problém dořešil.

V následujících letech zkoumal Smith u H. influenzae metylázy DNA (The DNA Methylases of Haemophilus influenzae Rd.: I. Purification and Properties. J Mol Biol 1973; 81: 427–444; s Royem. II. Partial Recognition Site Base Sequences. Ibid. 445–459; s Royem). V roce 1973 byl jmenován profesorem mikrobiologie Univerzity Johnse Hopkinse. V letech 1975 až 1976 jako stipendista Guggenheimovy nadace na univerzitě v Curychu s Maxem Birnstielem vypracoval techniku mapování štěpných míst, jichž v jediném pokusu přesně určil 35 (A Simple Method for DNA Restriction Site Mapping. Nucleic Acids Res 1976; 3: 2387–2398; s Birnstielem).

Nobelovou cenou za fyziologii nebo medicínu byli v roce 1978 „za svůj objev restrikčních enzymů a jejich uplatnění v otázkách molekulární genetiky“ poctěni Werner Arber z Basilejské univerzity a molekulární biologové Daniel Nathans a Hamilton Othanel Smith z Univerzity Johnse Hopkinse – Arber za objev restrikčních enzymů při analýze hostitelem řízené modifikace a za předpověď jejich vazby na periodické stavební prvky DNA fága k obraně buňky proti cizím genům, Smith za ověření Arberovy hypotézy purifikovaným bakteriálním restrikčním enzymem a za průkaz, že tento enzym štěpí DNA uprostřed určité symetrické sekvence a různé restrikční enzymy rozpoznávají různé sekvence, a Nathans za průkopnické uplatňování restrikčních enzymů v genetice, za konstrukci první genetické mapy štěpením DNA opičího viru SV40 restrikčními enzymy a za vypracování příslušné metodologie pro podrobné mapování. Dne 8. prosince 1978 měl Smith ve Stockholmu nobelovskou přednášku (Nucleotide Sequence Specificity of Restriction Endonucleases. Science 1979; 205: 455–462) a 10. prosince 1978 řekl profesor Peter Reichard z Karolinského lékařsko-chirurgického institutu v prezentačním projevu, že genetika zrozená před více než 100 lety v pokusech Gregora Mendela a dospěvší k poznání úlohy DNA v genetické informaci vstoupila díky objevům trojice laureátů do nové éry.

Hamilton Smith, zvolený v roce 1980 do Národní akademie věd a rok nato na Hopkinsově univerzitě jmenovaný profesorem molekulární biologie a genetiky, věnoval se restrikčním endonukleázám i v následujících letech: difrakční analýze podrobil restrikční endonukleázu HhaII purifikovanou z rekombinantního klonu E. coli a kokrystalizovanou s heptanukleotidovým duplexem d-GGAGTCC:GGACTCC (Preliminary X-Ray Diffraction Analysis of HhaII Endonuclease-DNA Cocrystals. Proteins 1986; 1: 263–266; s Chandrasegaranem, Amzelem a Ysernem).

V roce 1993 přijal členství ve vědeckém poradním sboru Ústavu pro genomický výzkum v marylandském Rockville a vedení tamní početné skupiny zkoumající H. influenzae metodou celogenomového sekvenování. Jeho tým, v němž spolupracoval také s Johnem Craigem Venterem, takto v roce 1995 provedl vůbec první úplnou sekvenaci genomu samostatného organismu (Whole-Genome Random Sequencing and Assembly of Haemophilus influenzae Rd. Science 1995; 269: 496–512; s Fleischmannem, Adamsem et al.), ještě téhož roku kompletně sekvenoval i samostatný organismus s nejmenším známým genomem o 580 070 dvojicích bází – bakterii Mycoplasma genitalium (The Minimal Gene Complement of Mycoplasma genitalium. Science 1995; 270: 397–403; s Fraserovou, Gocayneovou et al.), 2 roky nato určil kompletní sekvenci 910 725 dvojic bází genomu původce lymeské nemoci, spirochéty Borrelia burgdorferi B31 (Genomic Sequence of a Lyme Disease Spirochaete, Borrelia burgdorferi. Nature 1997; 390: 580–586; s Fraserovou, Casjensem et al.), kompletní sekvenci 1 667 867 dvojic bází genomu u kmene 26695 významného žaludečního patogena – bakterie Helicobacter pylori (The Complete Genome Sequence of the Gastric Pathogen Helicobacter pylori. Nature 1997; 388: 539–547; s Tombem, Whiteem et al.) i kompletní sekvenci 2 178 400 dvojic bází genomu hypertermofilního, síru metabolizujícího prokaryota Archaeoglobus fulgidus (The Complete Genome Sequence of the Hyperthermophilic, Sulphate-Reducing Archaeon Archaeoglobus fulgidus. Nature 1997; 390: 364–370; s Klenkem, Claytonovou et al.).

Po 30 letech působení na Univerzitě Johnse Hopkinse odešel v roce 1998 na odpočinek jako „American Cancer Society Distinguished Research Professor Emeritus“ molekulární biologie a genetiky, stal se vrchním ředitelem fondů DNA právě založené společnosti Celera Genomics a zapojil se tam do sekvenování genomů octomilky a člověka. Se spolupracovníky určil kompletní sekvenci 4 033 460 dvojic bází genomu ve dvou cirkulárních chromozomech gramnegativního gamaproteobakteria Vibrio cholerae El Tor N16961, což otevřelo cestu k poznávání vývoje samostatného organismu z prostředí v bakteriální patogen významný pro člověka (DNA Sequence of Both Chromosomes of the Cholera Pathogen Vibrio cholerae. Nature 2000; 406: 477–483; s Heidelbergem, Eisenem et al.).

V roce 2002 stanul v čele projektu financovaného ministerstvem energetiky s cílem vytvořit geneticky modifikovaný jednobuněčný organismus s nejmenším počtem genů nezbytných k zachování života a rozmnožování. Jeho badatelská skupina v Ústavu Johna Craiga Ventera zahájila pokusy o tvorbu zčásti syntetické bakterie Mycoplasma laboratorium, odvozené od bakterie Mycoplasma genitalium s nejmenším dosud známým počtem genů, a v roce 2003 synteticky sestavila genom bakteriofága phi X 174. V roce 2005 založil Smith s Venterem soukromou společnost Synthetic Genomics zaměřenou na výrobu biopaliv z rekombinantních řas a jiných mikrorganismů a stal se jejím vědeckým ředitelem.

MUDr. Pavel Čech

Kabinet dějin lékařství 3. LF UK

Ruská 87, 100 00 Praha 10

e-mail: pavel.cech@lf3.cuni.cz