Мэтисон, Мэтью Стэнли: Биография и научные достижения.

Введение

Американский генетик и молекулярный биолог (род. 1930)

Мэтью Стэнли Меселсон (род. 24 мая 1930) — генетик и молекулярный биолог, в настоящее время работающий в Гарвардском университете, известен своим доказательством, совместно с Франклином Сталлом, полуконсервативного механизма репликации ДНК. После получения степени доктора философии под руководством Лайнуса Полинга в Калифорнийском технологическом институте, Меселсон в 1960 году стал профессором Гарвардского университета, где работает и по сей день, занимая должность профессора естественных наук имени Томаса Дадли Кэбота. В знаменитом эксперименте Мезельсона — Сталла 1958 года он и Фрэнк Сталл продемонстрировали с помощью мечения изотопами азота, что ДНК реплицируется полуконсервативно. Кроме того, Меселсон, Франсуа Якоб и Сидни Бреннер открыли существование мРНК в 1961 году. Меселсон исследовал восстановление ДНК в клетках, а также механизмы распознавания и уничтожения клетками чужеродной ДНК, и вместе с Вернером Арбером внес вклад в открытие рестрикционных ферментов. С 1963 года он занимается вопросами химической и биологической защиты и контроля над вооружениями, выступая в качестве консультанта для различных государственных органов. Меселсон работал с Генри Киссинджером при администрации Никсона, чтобы убедить президента Ричарда Никсона отказаться от биологического оружия, приостановить производство химического оружия и поддержать международный договор о запрещении приобретения биологических агентов в военных целях, который в 1972 году получил название Конвенция о биологическом оружии. Меселсон был удостоен награды в области молекулярной биологии Национальной академии наук, награды за общественную службу Федерации американских ученых, президентской награды Нью-Йоркской академии наук, медали Томаса Ханта Моргана 1995 года Американского генетического общества, а также премии Ласкера за особые достижения в области медицинской науки. В настоящее время лаборатория Меселсона в Гарварде изучает биологическую и эволюционную природу полового размножения, генетической рекомбинации и старения. Многие из его бывших учеников стали известными биологами, включая лауреата Нобелевской премии Сидни Альтмана, а также Марка Пташне, Сьюзан Линдквист, Стивена Ф. Хайнеманна и Ричарда И. Моримото.

Matthew Stanley Meselson (born May 24, 1930) is a geneticist and molecular biologist currently at Harvard University, known for his demonstration, with Franklin Stahl, of semi conservative DNA replication. After completing his Ph. D. under Linus Pauling at the California Institute of Technology, Meselson became a Professor at Harvard University in 1960, where he has remained, today, as Thomas Dudley Cabot Professor of the Natural Sciences. In the famous Meselson–Stahl experiment of 1958 he and Frank Stahl demonstrated through nitrogen isotope labeling that DNA is replicated semi conservatively. In addition, Meselson, François Jacob, and Sydney Brenner discovered the existence of messenger RNA in 1961. Meselson has investigated DNA repair in cells and how cells recognize and destroy foreign DNA, and, with Werner Arber, was responsible for the discovery of restriction enzymes. Since 1963 he has been interested in chemical and biological defense and arms control, has served as a consultant on this subject to various government agencies. Meselson worked with Henry Kissinger under the Nixon administration to convince President Richard Nixon to renounce biological weapons, suspend chemical weapons production, and support an international treaty prohibiting the acquisition of biological agents for hostile purposes, which in 1972 became known as the Biological Weapons Convention. Meselson has received the Award in Molecular Biology from the National Academy of Sciences, the Public Service Award of the Federation of American Scientists, the Presidential Award of the New York Academy of Sciences, the 1995 Thomas Hunt Morgan Medal of the Genetics Society of America, as well as the Lasker Award for Special Achievement in Medical Science. His laboratory at Harvard currently investigates the biological and evolutionary nature of sexual reproduction, genetic recombination, and aging. Many of his past students are notable biologists, including Nobel Laureate Sidney Altman, as well as Mark Ptashne, Susan Lindquist, Stephen F. Heinemann, and Richard I. Morimoto.

Ранние годы и образование

Месселсон родился в Денвере, штат Колорадо, 24 мая 1930 года и учился в начальной и средней школе в Лос-Анджелесе, штат Калифорния. С раннего детства он проявлял интерес к химии и физике и проводил множество экспериментов по естественным наукам дома. Во время Второй мировой войны Месселсон посещал летние курсы во время каникул и заработал достаточное количество кредитов, чтобы закончить школу на полтора года раньше срока. Однако, когда он попытался получить аттестат в секретариате своей школы, ему сообщили, что для получения аттестата необходимо было три полных года физкультуры, которых у него не было. После поисков вариантов он поступил в Чикагский университет в 1946 году в возрасте 16 лет с намерением изучать химию, поскольку для поступления туда не требовался аттестат о среднем образовании.

Высшее образование

В Чикагском университете Меселсон изучал гуманитарные науки, включая историю и классику, в качестве студента с 1946 по 1949 год, после того как узнал, что университет упразднил степень бакалавра в таких специализированных областях, как химия и физика. После окончания учебы Меселсон провел полгода, путешествуя по Европе, где большую часть времени посвящал чтению и общению с друзьями. В 1949 году в Европе все еще ощущались последствия войны, а также нарастающее напряжение Холодной войны. В следующем году Меселсон вернулся в Калтех, чтобы снова начать обучение на первом курсе, но ему не понравился педагогический подход, применяемый в большинстве посещаемых курсов. Однако он записался на вводный курс химии Линуса Полинга, который ему очень понравился, и в том же году работал над проектом для Полинга, посвященным структуре гемоглобина. После этого Меселсон вернулся в Чикагский университет на год, чтобы посещать курсы по химии, физике и математике, хотя новую степень не получил. В следующем году его приняли в аспирантуру по физике в Калифорнийском университете в Беркли, где он проучился год. Летом 1953 года Меселсон был на вечеринке у бассейна в доме Полинга в Сьерра-Мадре (он дружил с сыном Полинга Питером и его дочерью Линдой), и Поулинг спросил его о планах на следующий год. Услышав, что Меселсон собирается вернуться в Чикагский университет, Поулинг сразу же предложил ему поступить в аспирантуру к нему в Калтех, на что Меселсон согласился. В качестве аспиранта Линуса Полинга по химии в Калифорнийском технологическом институте (1953–1957) Меселсон написал докторскую диссертацию по центрифугированию в градиенте равновесной плотности и рентгеновской кристаллографии. Помимо Полинга, в состав диссертационного совета Меселсона также входили Джером Виноград, Ричард Фейнман и Харден М. Макконнелл. Затем Меселсон работал ассистентом профессора физической химии, а затем старшим научным сотрудником в Калтехе, пока в 1960 году не перешел на преподавательскую работу в Гарвард.

At the University of Chicago, Meselson studied liberal arts including history and classics as an undergraduate from 1946 to 1949 after realizing upon arriving that the university had abolished bachelor's degrees in specialized field such as chemistry and physics. After completing his studies, Meselson spent half a year traveling in Europe. where he spent most of his time reading and making friends. The devastation of the war was still evident in Europe in 1949, as were the beginning tensions of the Cold War. The following year, Meselson returned to Caltech to begin freshman studies again, but disliked the pedagogical approach in most of the courses he took. He enrolled, however, in Linus Pauling's freshman chemistry course, which he loved, and worked on a project for Pauling the same year on hemoglobin structure. Meselson subsequently returned to the University of Chicago for a year to enroll in courses in chemistry, physics, and math, though he did not receive another degree. The following year, he was accepted into a graduate physics program at the University of California at Berkeley where he remained for a year. In the summer of 1953, Meselson was at a swimming pool party at the Pauling home in Sierra Madre (he was friends with Pauling's son Peter and with his daughter Linda), and Pauling asked him what he intended to do the following year. Upon hearing Meselson respond that he intended to return to the University of Chicago, Pauling immediately asked him to come to Caltech to begin graduate studies with him, to which Meselson agreed. As a graduate student of Linus Pauling in chemistry at the California Institute of Technology (1953 1957), Meselson's doctoral dissertation was on equilibrium density gradient centrifugation and on x ray crystallography. Besides Pauling, Meselson's dissertation committee also included Jerome Vinograd, Richard Feynman, and Harden M. McConnell. Meselson then served as Assistant Professor of Physical Chemistry and then Senior Research Fellow at Caltech until he joined the Harvard faculty in 1960.

Исследования

В 1957 году Меселсон и Франклин Сталь (в составе фаговой группы) показали, что ДНК реплицируется полуконсервативно. Для проверки гипотез о механизмах репликации ДНК Меселсон и Сталь вместе с Джеромом Виноградом изобрели метод разделения макромолекул по плотности плавучести. Метод, центрифугирование в градиенте плотности, был достаточно чувствителен, чтобы Меселсон и Сталь смогли разделить ДНК, содержащую тяжелый изотоп азота, 15N, и ДНК, состоящую из более легкого изотопа, 14N. В своем классическом эксперименте, описанном и проанализированном в книге историка науки Фредерика Л. Холмса, они вырастили бактерию Escherichia coli в течение многих поколений в среде, содержащей 15N как единственный источник азота, а затем перевели бактерии на среду, содержащую 14N. Они выделяли ДНК из бактерий до перевода и через определенные промежутки времени в течение нескольких последующих поколений. После одного поколения роста вся ДНК имела плотность, промежуточную между плотностью ДНК, содержащей 15N, и ДНК, содержащей 14N. В последующих поколениях доля "полутяжелой" ДНК уменьшалась вдвое, в то время как общее количество ДНК увеличивалось в два раза. При нагревании полутяжелая ДНК становилась одноцепочечной и разделялась на две фракции по плотности: тяжелую (содержащую только 15N) и легкую (содержащую только 14N). Этот эксперимент показал, что при репликации две комплементарные цепи бактериальной ДНК разделяются, и каждая из них служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи, что подтвердило предложенный пятью годами ранее Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком механизм репликации ДНК и предоставило важную раннюю поддержку модели молекулы ДНК Уотсона-Крика. В сотрудничестве с Жаном Вейглем Меселсон применил метод градиента плотности к изучению генетической рекомбинации у бактериофага лямбда. Вопрос заключался в том, связана ли рекомбинация с разрывом рекомбинирующих молекул ДНК или с кооперативным синтезом новых молекул. Ответ на этот вопрос можно было получить, изучая фаговые частицы, полученные при совместном заражении бактерий генетически мечеными фагами лямбда, помеченными тяжелыми изотопами (13C и 15N). Метод градиента плотности позволял характеризовать отдельные фаги-потомки по их унаследованию родительской ДНК и родительских генетических маркеров. Первоначальное наблюдение Меселсона о рекомбинации, связанной с разрывами и не зависящей от репликации, впоследствии было объяснено активностью специальной системы, способной рекомбинировать ДНК лямбда только в одной точке, обычно используемой фагом для встраивания в хромосому клетки-хозяина. Последующие вариации эксперимента, проведенные Франклином Сталем, выявили взаимную зависимость между репликацией ДНК и большинством процессов генетической рекомбинации. Вместе с Чарльзом Раддингом Меселсон разработал модель рекомбинации между дуплексами ДНК, которая направляла исследования в этой области в течение десятилетия с 1973 по 1983 год. В 1961 году Сидни Бреннер, Франсуа Якоб и Меселсон использовали метод градиента плотности для демонстрации существования матричной РНК (мРНК). В последующих работах Меселсон и его ученики продемонстрировали ферментативную основу рестрикции, направленной на хозяина – процесс, посредством которого клетки распознают и уничтожают чужеродную ДНК, а затем предсказали и продемонстрировали метил-направленную коррекцию ошибок, процесс, позволяющий клеткам исправлять ошибки при репликации ДНК. Современные исследования Меселсона направлены на понимание преимуществ полового размножения в эволюции. Меселсон и его коллеги недавно показали, что бделлоидные коловратки действительно размножаются половым путем, используя атипичный тип мейоза.

In 1957, Meselson and Franklin Stahl (as part of the phage group) showed that DNA replicates semi conservatively. In order to test hypotheses for how DNA replicates, Meselson and Stahl, together with Jerome Vinograd, invented a method that separates macromolecules according to their buoyant density. The method, equilibrium density gradient centrifugation, was sufficiently sensitive that Meselson and Stahl were able to separate DNA containing the heavy isotope of nitrogen, 15N, from DNA made of the lighter isotope, 14N. In their classic experiment, described and analyzed in a book by science historian Frederic L. Holmes, they grew the bacterium Escherichia coli for many generations in medium containing 15N as the only nitrogen source and then switched the bacteria to growth medium containing 14N instead. They extracted DNA from bacteria prior to switching and, at intervals, for several generations thereafter. After one generation of growth, all the DNA was seen to have a density halfway between that of 15N DNA and 14N DNA. In successive generations, the fraction of DNA that was "half heavy" fell by a factor of ½, as the total amount of DNA increased two fold. When the half heavy DNA was made single stranded by heating, it separated into two density species, one heavy (containing only 15N) and one light (containing only 14N). The experiment implied that, upon replication, the two complementary strands of the bacterial DNA separate, and that each of the single strands directs the synthesis of a new, complementary strand, a result that verified the suggestion for DNA replication put forward five years earlier by James Watson and Francis Crick and lent important early support for the Watson Crick model of the DNA molecule. In collaboration with Jean Weigle, Meselson then applied the density gradient method to studies of genetic recombination in the bacteriophage Lambda. The question was whether such recombination involved breakage of the recombining DNA molecules or cooperative synthesis of new molecules. The question could be answered by examining phage particles derived from co infection of bacteria with genetically marked Lambda phages that were labeled with heavy isotopes (13C and 15N). The density gradient method allowed individual progeny phages to be characterized for their inheritance of parental DNA and of parental genetic makers. Meselson's initial demonstration of breakage associated, replication independent recombination was later found to reflect the activity of a special system that can recombine Lambda DNA at only one spot, normally used by the phage to insert itself into the chromosome of a host cell. Subsequently, variations of the experiment by Franklin Stahl revealed reciprocal dependencies between DNA replication and most genetic recombination. With Charles Radding, Meselson developed a model for recombination between DNA duplexes that guided research in the field for the decade from 1973 to 1983. In 1961, Sydney Brenner, François Jacob and Meselson used the density gradient method to demonstrate the existence of messenger RNA. In subsequent work, Meselson and his students demonstrated the enzymatic basis of host directed restriction, a process by which cells recognize and destroy foreign DNA and then predicted and demonstrated methyl directed mismatch repair, a process that enables cells to correct mistakes in replicating DNA. Meselson's current research is aimed at understanding the advantage of sexual reproduction in evolution. Meselson and his colleagues have recently demonstrated that Bdelloid rotifers do, in fact, engage in sexual reproduction employing meiosis of an atypical sort.

Эффект Мезельсона

Когда две аллели, или копии гена, у асексуального диплоидного организма эволюционируют независимо друг от друга, они со временем становятся всё более различными. Это явление аллельной дивергенции впервые описал Уильям Бирки, но чаще его называют эффектом Меселсона. У половых организмов процессы рекомбинации и независимого расхождения хромосом позволяют обоим аллелям внутри организма происходить от недавнего единого предкового аллеля. Без рекомбинации или независимого расхождения аллели не могут происходить от недавнего предкового аллеля. Вместо этого аллели имеют общего последнего аллельного предка в момент или непосредственно перед потерей мейотической рекомбинации. Яркий пример этого эффекта был описан у бделлоидных ротиферов, где два аллеля гена *lea* разошлись в два различных гена, которые совместно работают над сохранением организма в периоды обезвоживания. Эффект Меселсона должен приводить к дивергенции целых копий генома организма, фактически сводя все древние бесполые организмы к гаплоидному состоянию, в процессе, аналогичном диплоидизации после дупликации всего генома. Однако генная конверсия, форма рекомбинации, часто встречающаяся у бесполых организмов, может предотвратить возникновение эффекта Меселсона у молодых бесполых организмов и может ограничить его проявление у бделлоидных ротиферов. Кроме того, ряд предполагаемых примеров эффекта Меселсона остаются спорными, поскольку другие биологические процессы, такие как гибридизация, могут имитировать этот эффект.

Защита от химического и биологического оружия и разоружение

В 1963 году Меселсон работал консультантом в Агентстве США по контролю над вооружениями и разоружению, где он заинтересовался программами и политикой в области химического и биологического оружия. С тех пор он занимается вопросами обороны и разоружения в этой сфере, консультируя различные государственные органы США и сотрудничая с программой Гарвард-Сассекс, академической исследовательской организацией, базирующейся в Гарварде и Университете Сассекса (Великобритания), где он и Джулиан Перри Робинсон (Великобритания) являются содиректорами. Придя к выводу, что биологическое оружие не имеет существенного военного значения для США, его распространение представляет серьезную угрозу, а в будущем использование передовых достижений биологии в агрессивных целях будет вредно для общества в целом, он стремился убедить представителей исполнительной власти, Конгресса и общественности в том, что США не нуждаются в таком оружии и что отказ от него и работа над его всемирным запретом принесут пользу. После того как президент Ричард Никсон в 1969 году прекратил американскую наступательную программу биологического оружия и поддержал британское предложение о международном запрете, Меселсон активно участвовал в разработке международных соглашений о запрете биологического, а затем и химического оружия, что привело к заключению Конвенции о биологическом оружии в 1972 году и Конвенции о химическом оружии в 1993 году. Меселсон и его коллеги провели три полевых исследования, имеющих значение для контроля над химическим и биологическим оружием. В августе и сентябре 1970 года по заказу Американской ассоциации содействия развитию науки Меселсон возглавил группу экспертов в Республике Вьетнам для проведения пилотного исследования экологических и медицинских последствий применения гербицидов в военных целях. Вернувшись в Гарвард, он и Роберт Баухман разработали усовершенствованный масс-спектрометрический метод анализа токсичного гербицида диоксина и применили его к образцам окружающей среды и биомедицинским материалам, собранным во Вьетнаме и США. В декабре 1970 года президент Ричард Никсон отдал приказ о "быстром, но упорядоченном" прекращении операций с применением гербицидов во Вьетнаме. В 1980-х годах Меселсон расследовал сообщения о том, что "желтый дождь" является советским токсическим оружием, используемым против представителей племени хмонг в Лаосе. Он ссылался на внешний вид и высокое содержание пыльцы в образцах предполагаемого агента, сходство предполагаемых атак с роем пчел, выделяющих фекалии, зафиксированное им и энтомологом Томасом Сили во время полевого исследования 1983 года в Таиланде, невозможность правительственных лабораторий США и Великобритании подтвердить первоначальные сообщения о наличии трихотеценовых микотоксинов в образцах предполагаемого агента и в биомедицинских материалах предполагаемых жертв, отсутствие каких-либо подтверждающих доказательств, полученных в результате обширных интервью с вьетнамскими военными дезертирами и пленниками, а также другие факторы. Меселсон и его коллеги утверждали, что эти сообщения были ошибочными. В апреле 1980 года Меселсон работал консультантом ЦРУ, расследуя крупную вспышку сибирской язвы среди населения советского города Свердловска. Он пришел к выводу, что на основании имеющихся данных официальное советское объяснение, согласно которому вспышка была вызвана употреблением мяса зараженного скота, является правдоподобным, но необходимо провести независимое расследование на месте. После распада Советского Союза ему было разрешено в 1992 и 1993 годах привезти группу экспертов в Свердловск. Их отчеты однозначно показали, что официальное советское объяснение было неверным и что вспышка была вызвана выбросом аэрозоля сибирской язвы с военного биологического объекта в городе. Меселсон является членом Национальной академии наук США, Американской академии искусств и наук, Американского философского общества, Академии наук (Париж), Королевского общества (Лондон) и Российской академии наук, а также лауреатом многочисленных наград и премий в области науки и общественной деятельности. Он входил в состав Совета Национальной академии наук, Совета Смитсоновского института, Консультативного совета по контролю над вооружениями и нераспространению при Государственном секретаре США и Комитета по международной безопасности и контролю над вооружениями Национальной академии наук США. Он был президентом Федерации американских ученых, в настоящее время является содиректором программы Гарвард-Сассекс по химическому и биологическому оружию и членом совета директоров Центра Бельфера по науке и международным отношениям при Школе государственного управления имени Джона Ф. Кеннеди Гарвардского университета.

In 1963 Meselson served as a resident consultant in the US Arms Control and Disarmament Agency, where he became interested in chemical and biological weapons programs and policies. Since then he has been involved in chemical and biological weapons defense and disarmament matters as a consultant to various US government agencies and through the Harvard Sussex Program, an academic research organization based at Harvard and at the University of Sussex in the UK of which he and Julian Perry Robinson in the UK are co directors. Concluding that biological weapons served no substantial military purpose for the US and that their proliferation would pose a serious threat and that, in years ahead, the exploitation of advanced biology for hostile purposes would be inimical to society generally, he worked to persuade members of the Executive Branch, the Congress and the public that the US had no need for such weapons and that there would be benefits in renouncing them and working for worldwide prohibition. After President Richard Nixon in 1969 canceled the US BW offensive program and endorsed a UK proposal for an international ban, Meselson was among those who successfully advocated international agreements to ban biological and then chemical weapons, leading to the Biological Weapons Convention of 1972 and the Chemical Weapons Convention of 1993. Meselson and his colleagues have undertaken three on site investigations with implications for chemical and biological weapons arms control. During August and September 1970, on behalf of the American Association for the Advancement of Science, Meselson led a team in the Republic of Vietnam in a pilot study of the ecological and health effects of the military use of herbicides. Upon returning to Harvard, he and Robert Baughman developed an advanced mass spectrometric method for analysis of the toxic herbicide contaminant dioxin and applied it to environmental and biomedical samples from the Vietnam and the US. In December 1970, President Richard Nixon ordered a "rapid but orderly" phase out of herbicide operations in Vietnam. During the 1980s, Meselson investigated allegations that "yellow rain" was a Soviet toxin weapon being used against Hmong tribespeople in Laos. Citing the physical appearance and high pollen content of samples of the alleged agent; the resemblance of the alleged attacks to showers of feces from swarms of honeybees that he and entomologist Thomas Seeley documented during a 1983 field study in Thailand; the inability of US and UK government laboratories to corroborate initial reports of the presence of trichothecene mycotoxins in samples of the alleged agent and in biomedical samples from alleged victims; the lack of any supporting evidence from extensive interviews with Vietnamese military defectors and prisoners; and other considerations, Meselson and his colleagues argued that the allegations were mistaken. In April 1980 Meselson served as a resident consultant to the CIA investigating a major outbreak of anthrax among people in the Soviet city of Sverdlovsk. He concluded that on the basis of available evidence the official Soviet explanation that the outbreak was caused by consumption of meat from infected cattle was plausible but that there should be an independent on site investigation. After the collapse of the Soviet Union, he was allowed to bring a team to Sverdlovsk in 1992 and again in 1993. Their reports conclusively showed that the official Soviet explanation was wrong and that the outbreak was caused by the release of an anthrax aerosol at a military biological facility in the city. Meselson is a member of the U. S. National Academy of Sciences, the American Academy of Arts and Sciences, the American Philosophical Society, the Académie des Sciences (Paris), the Royal Society (London) and the Russian Academy of Sciences and has received numerous awards and honors in the field of science and in public affairs. He has served on the Council of the National Academy of Sciences, the Council of the Smithsonian Institution, the Arms Control and Non Proliferation Advisory Board to the US Secretary of State and the Committee on International Security and Arms Control of the US National Academy of Sciences. He is past President of the Federation of American Scientists, and presently is co director of the Harvard Sussex Program on Chemical and Biological Weapons and a member of the board of directors of the Belfer Center for Science and International Affairs at the John F. Kennedy School of Government at Harvard University.

Личная жизнь

Он был женат трижды, сначала на Кэтрин Кейнис, затем на Саре Пейдж, от которой у него родилось две дочери, Эми и Зои. В третий раз он женился на Жанне Гильмен, у которой есть двое пасынков.