Макс Дельбрюк: Пионер молекулярной биологии и физики вирусов

Введение

Биофизик

Макс Людвиг Хеннинг Дельбрюк (Max Ludwig Henning Delbrück; 4 сентября 1906 – 9 марта 1981) – немецко-американский биофизик, который внес вклад в становление исследовательской программы молекулярной биологии в конце 1930-х годов. Он пробудил интерес физиков к биологии, особенно к фундаментальным исследованиям, направленным на физическое объяснение генов, которые в то время оставались загадкой. Созданная в 1945 году и возглавляемая Дельбрюком совместно с Сальвадором Лурией и Альфредом Херши, Фаговая группа добилась значительных успехов в раскрытии важных аспектов генетики. В 1969 году они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине «за открытия, касающиеся механизма репликации и генетической структуры вирусов». Он был первым физиком, предсказавшим явление, которое сейчас называется рассеянием Дельбрюка.

Ранняя и личная жизнь

Дельбрюк родился в Берлине, Германская империя. Его мать была внучкой Юстуса фон Либиха, выдающегося химика, а его отец Ганс Дельбрюк — профессором истории в Берлинском университете. В 1937 году Дельбрюк покинул нацистскую Германию и переехал в Америку, сначала в Калифорнию, затем в Теннесси, и в 1945 году стал гражданином США. Профессор Тобиас Дельбрюк также является одним из пионеров в области камер событий, которые в настоящее время всё чаще применяются в динамических системах машинного зрения.

Образование

Дельбрюк изучал астрофизику, затем переключился на теоретическую физику в Геттингенском университете. После получения докторской степени там в 1930 году он путешествовал по Англии, Дании и Швейцарии. Он встретился с Вольфгангом Паули и Нильсом Бором, которые пробудили в нём интерес к биологии.

Карьера и исследования

В 1932 году Дельбрюк вернулся в Берлин в качестве ассистента Лизе Майтнер, которая сотрудничала с Отто Ганом в исследовании облучения урана нейтронами. Дельбрюк опубликовал несколько статей, в том числе в 1933 году работу о рассеянии гамма-лучей, вызванном поляризацией вакуума кулоновским полем. Хотя теоретически это было допустимо, его вывод оказался ошибочным, в то время как Ханс Бете примерно через 20 лет подтвердил это явление и назвал его «рассеянием Дельбрюка». В 1935 году Дельбрюк совместно с Николаем Тимофеевым-Рессовским и Карлом Циммером опубликовал основополагающую работу «Über die Natur der Genmutation und der Genstruktur». Она была признана важным шагом в понимании природы мутаций генов и структуры генов, и стала краеугольным камнем в формировании молекулярной генетики. Эта работа также послужила вдохновляющим началом для размышлений Эрвина Шрёдингера, его курса лекций в 1943 году и, в конечном итоге, для написания книги «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки». В 1937 году он получил стипендию от Фонда Рокфеллера – организации, запускавшей программу исследований в области молекулярной биологии – для изучения генетики плодовой мушки *Drosophila melanogaster* в биологическом отделе Калифорнийского технологического института, где Дельбрюк мог объединить свои интересы в биохимии и генетике. В Калтехе Дельбрюк исследовал бактерии и их вирусы (бактериофаги или фаги). В 1939 году совместно с Эмори Л. Эллисом он опубликовал статью «Рост бактериофагов», в которой сообщалось, что вирусы размножаются скачкообразно, а не экспоненциально, как клеточные организмы. Хотя стипендия Фонда Рокфеллера у Дельбрюка истекла в 1939 году, Фонд предоставил ему должность в Университете Вандербильта в Нэшвилле, штат Теннесси, где с 1940 по 1947 год он преподавал физику, но его лаборатория находилась на биологическом факультете. В 1941 году Дельбрюк познакомился с Сальвадором Лурией из Университета Индианы, который начал посещать Вандербильт. Их исследования показали, что мутации, обеспечивающие устойчивость бактерии *E. coli* к бактериофагу (вирусу) T1, существовали в популяции до воздействия T1 и не были вызваны добавлением T1. Иными словами, мутации – это случайные события, происходящие независимо от их полезности, в то время как отбор (в данном случае, отбор устойчивости к T1 при воздействии T1) определяет направление эволюции, сохраняя выгодные мутации и отбрасывая вредные (чувствительность к T1). Этот эксперимент нанес удар по ламаркизму и подготовил почву для значительного прогресса в генетике и молекулярной биологии, вызвав волну исследований, которая в конечном итоге привела к открытию ДНК как носителя наследственной информации и расшифровке генетического кода. К тому времени Эйвери, вместе с Макклаудом (а ранее, Маккарти) уже активно доказывал генетические возможности ДНК. В 1945 году Дельбрюк, Лурия и Херши организовали курс по генетике бактериофагов в Лаборатории Колд-Спринг-Харбор на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк. В 1969 году Дельбрюк получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине, которую разделил с Лурией и Херши «за их открытия, касающиеся механизма репликации и генетической структуры вирусов». Комитет также отметил, что «главная заслуга принадлежит Дельбрюку, который превратил исследование бактериофагов из расплывчатого эмпиризма в точную науку. Он проанализировал и определил условия для точного измерения биологических эффектов. Вместе с Лурией он разработал количественные методы и установил статистические критерии оценки, которые сделали возможными последующие глубокие исследования. Сильная сторона Дельбрюка и Лурии, возможно, в основном заключается в теоретическом анализе, в то время как Херши прежде всего является исключительно умелым экспериментатором. Они также хорошо дополняют друг друга и в этом отношении». В том же году Дельбрюк и Лурия также были удостоены премии Луизы Гросс Хорвиц Колумбийского университета. В конце 1947 года, когда у Университета Вандербильта не было средств для его удержания, Дельбрюк вернулся в Калтех в качестве профессора биологии и оставался там до конца своей карьеры. Он предположил, что гены являются «апериодическим кристаллом», хранящим генетический код, и оказал влияние на кристаллографа Розалинд Франклин и биологов Фрэнсиса Крика и Джеймса Д. Уотсона при их определении в 1953 году молекулярной структуры клеточной ДНК как двойной спирали. В 1977 году он вышел на пенсию из Калтеха, оставаясь профессором биологии на пенсии. Он заинтересовался поведенческими науками и в 1960-х годах потратил немало сил на бесплодные исследования поведения плесени. Макс Дельбрюк умер в возрасте 74 лет в понедельник, 9 марта 1981 года, в больнице Хантингтон-Мемориал в Пасадене, штат Калифорния. 26 и 27 августа 2006 года – в год, когда Дельбрюку исполнилось бы 100 лет – семья и друзья собрались в Лаборатории Колд-Спринг-Харбор, чтобы вспомнить его жизнь и работу. Хотя Дельбрюк придерживался некоторых антиредукционистских взглядов, он предполагал, что в конечном итоге будет раскрыт парадокс, подобный, возможно, волновой-частичной двойственности в физике, относительно природы жизни. Однако его точка зрения была опровергнута после открытия двойной спиральной структуры ДНК.

Delbrück returned to Berlin in 1932 as an assistant to Lise Meitner, who was collaborating with Otto Hahn on irradiation of uranium with neutrons. Delbrück wrote a few papers, including one in 1933 on gamma rays' scattering by a Coulomb field's polarization of a vacuum. Though theoretically tenable, his conclusion was misplaced, whereas Hans Bethe some 20 years later confirmed the phenomenon and named it "Delbrück scattering". In 1935, Delbrück published a collaboration with Nikolay Timofeev Ressovsky and Karl Zimmer the major work, Über die Natur der Genmutation und der Genstruktur. It was considered to be a major advance in understanding the nature of gene mutation and gene structure. The work was a keystone in the formation of molecular genetics. It was also an inspirational starting point for Erwin Schrödinger's thinking, a course of lectures in 1943, and the eventual writing of the book What Is Life? The Physical Aspect of the Living Cell. In 1937, he attained a fellowship from Rockefeller Foundation—which was launching the molecular biology research program—to research genetics of the fruit fly, Drosophila melanogaster, in California Institute of Technology's biology department, where Delbrück could blend interests in biochemistry and genetics. While at Caltech, Delbrück researched bacteria and their viruses (bacteriophages or phages). In 1939, with Emory L. Ellis, he coauthored "The growth of bacteriophage", a paper reporting that the viruses reproduce in one step, not exponentially as do cellular organisms. Although Delbrück's Rockefeller Foundation fellowship expired in 1939, the Foundation matched him up with Vanderbilt University in Nashville, Tennessee, where from 1940 to 1947 he taught physics, yet had his laboratory in the biology department. In 1941, Delbrück met Salvador Luria of Indiana University who began visiting Vanderbilt. which showed that mutations conferring resistance of the bacterium E. coli to T1 bacteriophage (virus) existed in the population prior to exposure to T1 and were not induced by adding T1. In other words, mutations are random events that occur whether or not they prove to be useful, while selection (for T1 resistance upon challenge with T1 in this case) provides the direction in evolution by retaining those mutations that are advantageous, discarding those that are harmful (T1 sensitivity in this case). This experiment dealt a blow to Lamarckian inheritance and set the stage for tremendous advances in genetics and molecular biology, launching a tsunami of research that eventually led to the discovery of DNA as the hereditary material and to cracking the genetic code. Of course, by then Avery, along with McCloud (and earlier, McCarty) was well on the way to showing the genetic capability of DNA. In 1945, Delbrück, Luria, and Hershey set up a course in bacteriophage genetics at Cold Spring Harbor Laboratory on Long Island, New York. Delbrück received the 1969 Nobel Prize in Physiology or Medicine, shared with Luria and Hershey "for their discoveries concerning the replication mechanism and the genetic structure of viruses". The committee also noted that "The honour in the first place goes to Delbrück who transformed bacteriophage research from vague empiricism to an exact science. He analyzed and defined the conditions for precise measurement of the biological effects. Together with Luria he elaborated the quantitative methods and established the statistical criteria for evaluation which made the subsequent penetrating studies possible. Delbrück's and Luria's forte is perhaps mainly theoretical analysis, whereas Hershey above all is an eminently skillful experimenter. The three of them supplement each other well also in these respects." That year, Delbrück and Luria were also awarded by Columbia University the Louisa Gross Horwitz Prize. In late 1947, as Vanderbilt lacked the resources to keep him, Delbrück had returned to Caltech as a professor of biology, and remained there for the rest of his career. which conjectured genes were an "aperiodic crystal" storing codescript and influenced crystallographer Rosalind Franklin and biologists Francis Crick and James D. Watson in their 1953 identification of cellular DNA's molecular structure as a double helix. In 1977, he retired from Caltech, remaining a Professor of Biology emeritus. He became interested in the behavioral sciences and spent some unfruitful effort on mold behavior in the 1960s. Max Delbrück died, at age 74, on the evening of Monday, March 9, 1981, at Huntington Memorial Hospital in Pasadena, California. On August 26 to 27, 2006—the year Delbrück would have turned 100—family and friends gathered at Cold Spring Harbor Laboratory to reminisce on his life and work. Although Delbrück held some anti reductionist views; he conjectured that ultimately a paradox—akin perhaps to the waveparticle duality of physics—would be revealed about life. His view however, was later refuted upon the discovery of the double helix structure of DNA.