Bert Sakmann (1942–)

V roce 1991 byli Nobelovou cenou za fyziologii či lékařství poctěni němečtí biofyzikové Erwin Neher a Bert Sakmann (1). V následujícím článku si představíme životní osudy a vědeckou kariéru druhého jmenovaného.

Bert Sakmann se narodil 12. června 1942 ve württemberské metropoli Stuttgartu jako starší ze dvou dětí divadelního ředitele Bertolda Sakmanna z tamního starousedlého lékařského rodu a fyzioterapeutky Annemarie (2), rozené Schäferové (3), v siamském Bangkoku na svět přivedené dcery pruského lékaře, jenž ve službách tamnímu králi založil první siamskou nemocnici (2).

Lindau (1942–): dětství a základní škola. Stuttgart (–1961): gymnázium

Bert prožil dětství a vychodil základní školu v Lindau (Lindavě) na břehu Bodamského jezera, načež v zaujetí výukou fyziky vystudoval 1961 v rodišti (4) Wagenburské gymnázium, zatímco doma vymýšlel a stavěl modely plachetnic a letadel. V maturitním ročníku se pak setkal s kybernetikou a technickým pojetím živých organismů (2); od té doby se zajímal o spojení oborů biologie a kybernetiky, pomocí nichž mohl dějům probíhajícím v živých organismech porozumět z hlediska teorie informací (5).

Tübingen, Mnichov, Freiburg, Berlín, Paříž, Mnichov (1962–1970): studium lékařství. Lux, Creutzfeldt, Neher: „napěťová svorka“

Sakmann váhal mezi fyzikou a biologií, než se nakonec na Tübingenské univerzitě zapsal ke studiu medicíny (1962) a složil státní zkoušku „Physikum“ (1964). Po dosažení bakalaureátu na Mnichovské univerzitě (1967) se stal lékařským (1968) a výzkumným (1969–1970) asistentem neurofyziologického oddělení (6) Psychiatrického ústavu Maxe Plancka (4), provozujícího v omezeném prostoru téměř veškerou tehdejší neurobiologii – od kvantitativní analýzy opičího chování v laboratoři klinického psychiatra, primatologa a antropologa Detleva Plooga (1920–2005) až po záznamy proudů „napěťové svorky“ (voltage clamp) v neuronech hlemýždě na pracovišti neurofyziologa a experimentálního epileptologa Hanse-Dietera Luxe (1924–1994).

K elektrofyziologickému výzkumu v Luxově laboratoři přijal Sakmanna fyziolog a neurolog Otto Detlev Creutzfeldt (1927–1992), přednosta neurofyziologického oddělení Planckova ústavu a zakrátko Sakmannův spoluautor práce o neurofyziologii vidění (Neurophysiology of vision. Annu Rev Physiol 1969; 31: 499–544, s Creutzfeldtem). Do metody „napěťové svorky“ v denervovaných žabích svalových vláknech zasvětil Berta u Luxe postdok Erwin Neher (1970).

Sakmann pak vystřídal Freiburg, Berlín a Paříž (2), načež jeho následný návrat do Mnichova (1970) s „kolečkem“ v chirurgii, interně a gynekologii (3) prosadila v nedalekém Pählu 1942 narozená kolegyně Christiane Wülfertová, jeho budoucí žena (1970), matka synů Bernharda (1973) a Kaspara (1976) i dcery Sophie (1983) – a díky úspěšné specializaci v oftalmologii, zejména dětské (7), zakladatelka proslulosti příjmení Sakmann již v dobách, kdy se Bert ještě občas představoval jako „manžel té oční doktorky“ (2).

Londýn (1971–1973): Katz, Purves

V biofyzikální laboratoři University College v Londýně pracoval Sakmann v letech 1971–1973 pod laureátem Nobelovy ceny za fyziologii či lékařství (1970) Bernardem Katzem (3), jenž s mexickým neurovědcem Ricardem Miledim při zkoumání role vápníku v uvolňování neuropřenašeče objevil „membránový šum“ (1970), načež Miledi a Linc Potter ve svalových vláknech počítali a izolovali acetylcholinové receptory (1971).

V oddělení, jež vedl neurobiolog Dale Purves (1938–), poznával Sakmann vlastnosti membrán jako základu spontánní aktivity denervovaných svalových vláken (Membrane properties underlying spontaneous activity of denervated muscle fibres. J Physiol 1974; 239: 125–153, s Purvesem).

Göttingen (1974–1989): Neher, terčíkový zámek, habilitace, přednosta, profesor, ceny

Po promoci působil Sakmann v Creutzfeldtově neurobiologickém oddělení Planckova ústavu biofyzikální chemie Göttingenské univerzity (1974–1979). V žabím nervosvalovém spojení studoval s Neherem napěťovou závislost farmakologicky vyvolané vodivosti (Voltage-dependence of drug-induced conductance in frog neuromuscular junction. Proc Natl Acad Sci U S A 1975; 72: 2140–2144, s Neherem) a zkoumal proudy zaznamenávané z membrány denervovaných žabích svalových vláken (Single-channel currents recorded from membrane of denervated frog muscle fibres. Nature 1976; 260: 799–802, s Neherem).

S Neherem, navrátivším se z ročního pobytu na Yaleově univerzitě (1975–1976), vyvinul Sakmann k výzkumu proudů jednotlivými iontovými kanály v biologických membránách metodu „terčíkového zámku“ neboli patch clamp (The extracellular patch clamp: a method for resolving currents through individual open channels in biological membranes. Pflügers Arch 1978; 375: 219–228, s Neherem a Steinbachem). Ve skupině göttingenského Planckova ústavu biofyzikální chemie pro studium biologie membrán (4) prozkoumal Sakmann (1979–1982) s Neherem a kolegy typy kanálů v různých buňkách (Improved patch-clamp techniques for high-resolution current recording from cells and cell-free membrane patches. Pflügers Arch 1981; 391: 85–100, s Hamillem, Martym, Neherem a Sigworthem).

V roce 1981 publikoval habilitační práci (Beobachtung von Transmitter-Rezeptor-Wechselwirkung auf molekularer Ebene: Hochauflösende Strommessungen an kleinen Membranarealen von Einzelzellen und an zellfreien Membranfragmenten. Göttingen, 1981). Po habilitaci (1981) byl göttingenský soukromý docent fyziologie a neurofarmakologie přijat za člena Planckovy společnosti a obdržel Magnesovu cenu Hebrejské univerzity v Jeruzalémě (1982) i Spencerovu cenu Kolumbijské univerzity v New Yorku (1983).

Na iontové kanály pohlížel ve shodě s Neherem jako na „jeden z nejnaléhavějších problémů biofyziky membrán“ (3), zkoumal různé typy iontových kanálů aktivovaných acetylcholinem (5) a v göttingenském Ústavu biofyzikální chemie Maxe Plancka dotáhl k publikaci (1983) řadu článků (Ion transport by single receptor channels. Cold Spring Harb Symp Quant Biol 1983; 48: 247–257, s Bormannem a Hamillem; Acetylcholine activation of single muscarinic K⁺ channels in isolated pacemaker cells of the mammalian heart. Nature 1983; 303: 250–253, s Nomou a Trautweinem; Activation of multiple-conductance state chloride channels in spinal neurones by glycine and GABA. Nature 1983; 305: 805–808, s Hamillem a Bormannem; Patch-clamp measurements of elementary chloride currents activated by the putative inhibitory transmitter GABA and glycine in mammalian spinal neurons. J Neural Transm Suppl 1983; 18: 83–95, s Hamillem a Bormannem). Posléze koeditoval monografii o záznamu z jednotlivého kanálu (Single-channel recording. Plenum Press, New York 1983, s Neherem, eds.).

V Planckově göttingenském ústavu byl jmenován přednostou oddělení fyziologie membrán (1983) i fyziologie buňky (1985) a profesorem tamní lékařské fakulty (1987–1989). S Neherem zkoumal iontové kanály ve vzrušivých membránách prostřednictvím technik „terčíkového zámku“ (Patch clamp techniques for studying ionic channels in excitable membranes. Annu Rev Physiol 1984; 46: 455–472, s Neherem). Pro záznam proudů jednotlivými iontovými kanály se Neherova a Sakmannova technika „terčíkového zámku“ ukázala „nad očekávání užitečnou“ (Sigworth F. The patch clamp is more useful than anyone had expected. Fed Proc 1986; 45: 2673–2677).

Za přinos základnímu výzkumu v oblasti biologie nebo biochemie dostali Sakmann s Neherem 1986 na newyorské Kolumbijské univerzitě cenu Louisy Gross Horwitzové (4), z jejíchž laureátů se dříve či později zhruba každý druhý dočká i ceny Nobelovy. Ve stejném roce Sakmann obdržel i Leibnizovu cenu Německé výzkumné společnosti, o roku později byl jmenován profesorem buněčné fyziologie (5) a roku 1989 získal mezinárodní cenu Gairdnerovy v Toronotu.

Heidelberg (1989–1991): přednosta, profesor, výzkum synapsí v CNS

Po letech spolupráce s Neherem přesídlil Sakmann do Heidelbergu (8) jako přednosta oddělení fyziologie buňky Ústavu lékařského výzkumu Maxe Plancka (1989–2008) a profesor lékařské (1990) a přírodovědné (1991) fakulty. V Psychiatrickém ústavu Maxe Plancka pak vyšetřoval aktivitu sítnice s nestejnou distribucí iontů Na⁺, K⁺, Ca²⁺ a Cl^– vně a uvnitř neuronů, kde angličtí fyziologové Alan Hodgkin a Andrew Huxley (pozdější laureáti Nobelovy ceny 1963) ve 40. a časných 50. letech hledali průchod buněčnou membránou v odpověď na elektrickou, fyzikální či chemickou stimulaci a soudili, že tyto ionty v neuronové membráně neprocházejí pasivními otvory, nýbrž brankami či kanály, jež elektrickou či jinou formou stimulace průtok iontů samy ovládají.

Spolu s neurobiologem a biochemikem Peterem H. Seeburgem osvětloval Sakmann na molekulární úrovni mechanismus funkce a dysfunkce synapsí v CNS (Flip and flop: a cell-specific functional switch in glutamate-operated channels of the CNS. Science 1990; 249: 1580–1585, se Seeburgem et al.; Functional and molecular distinction between recombinant rat GABA_A receptor subtypes by Zn²⁺. Neuron 1990; 5: 781–788, se Seeburgem et al.). Poté Sakmann obdržel Harveyho cenu Izraelského technologického ústavu (1991).

Stockholm (1991): Nobelova cena

Za vynález techniky „terčíkového zámku“ s průkazem existence iontových kanálů (The patch clamp technique. Sci Am 1992; 266: 44–51, s Neherem) přijal Bert Sakmann svou polovinu obnosu Nobelovy ceny za fyziologii či lékařství (9) a ve stockholmském Karolinském institutu měl 9. prosince 1991 po uvedení profesorem Stenem Grillnerem nobelovskou přednášku (Elementary steps in synaptic transmission revealed by currents through single ion channels), následujícího roku publikovanou v 5 odborných časopisech (Neuron 1992; 8: 613–629; Science 1992; 256: 503–512; EMBO J 1992; 11: 2002–2016; Angew Chem Int Ed Engl 1992; 31: 830–841; Biosci Rep 1992; 12: 237–262).

Heidelberg (1991–): laureátova následující léta

Ředitel Planckova ústavu pro lékařský výzkum, přednosta oddělení buněčné fyziologie a laureát Nobelovy ceny (8) byl zahraničním členem londýnské Královské společnosti (4) zvolen roku 1994, tj. v době, kdy v intra- či extracelulárních buněčných membránách zkoumal genetické, zánětlivé a autoimunitní dysfunkce iontových kanálů, kanálopatie (angl. channelopathies): choroby převážně vrozené z mutace genů kódujících iontové kanály v buněčných membránách, k nimž patří cystická fibróza (dříve zvaná mukoviscidóza) – vícesystémové autosomálně recesivní dědičné chronické progredující onemocnění především dýchací a trávicí soustavy z mutace genu na dlouhém raménku 7. chromosomu pro transmembránový regulátor vodivosti, vyvolané insuficiencí zevní sekrece pankreatu, vysokou koncentrací elektrolytů (Cl^–) v potu a poruchou reprodukce u mužů; onemocnění žláz se zevní sekrecí od raného dětství dříve před dosažením puberty, dnes díky intenzivní léčbě většinou při dovršení dospělosti; syndrom dlouhého intervalu QT při poruše elektrické aktivace srdce vedoucí k arytmii, mdlobám, bezvědomí či smrti; trvalá perinzulinemická hypoglykémie v dětství; Bartterův syndrom (vzácná komplikace cystické fibrózy hypochloremickou a hypokalemickou metabolickou alkalózou); pseudo-Bartterův syndrom (soubor klinických příznaků imitujících Bartterův syndrom z výrazné deplece K⁺ a Mg²⁺ při abúzu laxativ, diuretik či opakovaném zvracení); epilepsie (opakované záchvaty přechodné mozkové dysfunkce z excesivních výbojů v mozkových neuronech); ataxie (dyskoordinace řeči, pohybů očí, končetin, trupu, stoje a chůze z léze vestibulárního aparátu, mozečku či proprioceptivních drah); migrény (opakované záchvaty bolesti hlavy s nevolností, zvracením, světloplachostí); slepota; hluchota; syndromy periferní bolesti.

Adresa pro korespondenci

MUDr. Pavel Čech