Ото Варбург и научните постижения в кариерата му
От 1901г. до 1970г.
Малко хора днес знаят и разбират какво е довело Ото Варбург до откритието, което по-късно е наречено "ефект на Варбург", и как другите му научни изследвания са основополагащи за познанията, които учените имат днес за метаболитните и енергийните механизми в клетките. Науката се прави от хора и тези експерти участват в мрежа от социални и академични контакти затова е ценно да се опознае биографията на Варбург и да се проследят влиянията и историческите моменти в живота му.
Наследството на биохимика не е само "ефектът на Варбург", но и откриването на "респираторен фермент" и водородпренасящи кофактори, както и изолиране на гликолитични ензими. Някои негови теории все още провокират мисленето на учените в областта на превенцията и лечението на рака. Това се доказва от рязкото нарастване на публикациите през последните десетилетия, в които се споменава неговото име във връзка с туморния метаболизъм.
> Влиянието на семейната среда
> Идентифициране на "респираторния фермент"
Влиянието на семейната среда
Личната история на Ото Варбург, включваща произход, влияние на социална и научна среда, оказва голямо въздействие върху начина на мислене и постиженията на биохимика. Той е роден на 8 октомври 1883 г. във Фрайбург им Брайсгау. Баща му Емил Варбург е известен и утвърден професор по физика във Фрайбургския университет, произхождащ от популярно еврейско семейство. По-късно родителят му става протестант. Майка му Елизабет Гертнер идва от семейство на военни и държавни служители, общителна и волева. Ото и трите му сестри израстват в интелектуално и културно стимулираща среда и водят живот, характерен за академичната класа по време на германското имперско управление.
През 1896 г. бащата става директор на Института по физика към Берлинския университет и семейството се премества да живее в столицата. По линия на членството си в Пруската академия на науките Емил Варбург поддържа близки контакти с Макс Планк и Алберт Айнщайн, а домът му се превръща в средище, в което кипи богат социален живот с тези и много други величия в науката. Несъмнено подобни срещи оказват влияние върху личността и интересите на малкия Ото. Хора, живели в една епоха и общували с него, споделят, че той се славел със своите щедрост, очарование и хумор, но и с ексцентричност, любов към споровете и отмъстителност към опонентите. Варбург е известен също с егоцентризма, липсата на скромност и неприемането на критики към идеите му. Безспорно се отличавал с изключителна интелигентност, остър ум и със забележителна дисциплина по отношение на работата и живота си.
Първи стъпки в кариерата
Варбург решава да учи химия и се записва във Фрайбургския университет през 1901 г. След две години се връща в Берлин и става ученик на Емил Фишер, който е удостоен с Нобелова награда заради синтеза на захари и пурини. Учителят му е известен със своята взискателност и изисквания за постоянство и прецизност в опитите и мисленето. Първоначално Варбург се заема с изучаването на глицин, левцин и аланин и благодарение на изследванията им получава докторска степен през 1906 г.
Амбициите му са по-големи и желае да изучи процесите на живота, поради тази причина записва медицина в Хайделбергския университет при Лудолф Крел. Стремежът му е да приложи идеите и методите от химията и физиката, за да проучи енергийните процеси в организмите. През летата от 1908 до 1911 г. често с Ото Майерхоф пребивават в морската станция в Неапол, Италия. Там Варбург открива, че консумацията на кислород нараства от шест до седем пъти в оплодени яйца от морски таралеж, като тази консумация може да бъде силно потисната от цианид и наркотици. Тази разработка му носи втора докторска дисертация, а през 1913 г. става професор по физиология.
Същата година биохимикът се връща в Берлин и с помощта на влиятелни учени като Пол Ерлих, Якоб Льоб и Емил Фишер Варбург става член на Институт "Кайзер Вилхелм". Назначен е като главен изследовател в Института по биология, свободен да изследва каквото пожелае, без ангажименти за преподаване и работа в индустрията. Когато през 1914 г. избухва Първата световна война, биохимикът чувства за свой дълг да се запише доброволец. Назначен е като лекар в елитна кавалерийска част. Към края на войната е ранен и майка му се възползва от случая, за да го склони да напусне бойното поле чрез семейния им приятел Айнщайн. Той пише писмо на Ото, както и на военното министерство с молба да позволят връщането на младия учен в Берлин. Явно писмата са били доста убедителни, защото Варбург скоро подновява изследванията си. За да го освободи и от ежедневните битовизми, майка му му намира личен асистент на име Якоб Хайс, който да му помага в административната работа на института и у дома. Хайс остава заедно с Варбург до края на живота му.
Модификация на манометъра
Изследванията на Ото Варбург се въртят около два основни въпроса: Каква е енергията на живота и Има ли количествена разлика в метаболизма на нормалните и раковите клетки? За целите на тестовете той и професионалистите, с които работи и които често са посочвани като негови съавтори, конструират специфични устройства за изследвания на клетки и тъкани. Такъв е случаят с модифицирането на манометъра, с който Варбург се научава да борави с помощта на баща си. С уреда е възможно измерването на производството на въглероден диоксид в разтвор и консумацията на кислород. Чрез контролиране на температурата и механизма на разклащане се осигурява бърза дифузия в средата и по този начин се трансформира устройството, за да може да обслужва специфичните изисквания за измерване на живи тъкани и клетки. Тъй като тъканта се нуждае от стандартизирана дебелина, Варбург изчислява броя на клетъчните слоеве, които позволяват достатъчна дифузия на глюкоза и кислород. Разработва и механизъм за приготвяне на туморни срезове по-малки от 0,5 мм - метод, който се прилага и днес. Техническите нововъведения дават възможност на биохимика и колегите му да правят пионерски експерименти, водещи до метаболитни концепции, които днес все още се проучват.
Идентифициране на "респираторния фермент"
Наред с въпросите за това какви промени в енергийния метаболизъм преобразуват нормалните клетки в туморни, Ото Варбург се интересува от химическата основа за "респираторния фермент", отговорен за преноса на кислород в клетките. Още през 1914 г. ученият смята, че желязото има каталитична функция в клетъчното дишане. Тъй като наличното количество от фермента е твърде малко за аналитичната химия, Варбург прилага "техника на инхибиране", като използва две вещества, имащи специфични инхибиторни ефекти: циановодородна киселина и въглероден оксид (СО), като първото потиска дишането необратимо, а второто обратимо в зависимост от кислородното налягане. Посещавайки лабораторията на Варбург, Алън Хил му насочва вниманието към факта, че инхибирането на дишането от СО е чувствително към светлина. Това позволява на Варбург да характеризира чувствителния към кислород фермент чрез свързване на промените в коефициента на поглъщане, определен чрез спектрометрия, с нарастване на дихателната активност при увеличаване на осветеността. Така ученият идентифицира цитохром а3 (цитохромоксидаза) като СО-чувствителен дихателен ензим, т.е. този, който има нужда от кислород. Днес е известно, че има 5 протеина с желязо за електронен пренос и че цитохромоксидазата е част от комплекс IV. Варбург установява, че респираторните протеини се намират в органели на клетките, които години по-късно са идентифицирани като митохондрии.
Оптичният тест
Тъй като учените в началото на миналия век вече са наясно, че в живите организми протичат окислителни процеси, те предполагат, че би трябвало да има и пренос на водород. Също така знаят, че някои ензими изискват активиране, подпомогнато от водород. Варбург разгадава чрез лабораторни опити по какъв начин става този пренос. Открива, че той се случва с помощта на две молекулни единици - коензим и ензим, като втората съдържа "жълт фермент", нуклеотида фосфорибофлавин. Биохимикът установява още едно нискомолекулно съединение, което е съставено от фосфат, пентоза и аденин, но остава един компонент, който не може да идентифицира. След по-сериозно търсене и с малко помощ от приятеля му Валтер Шьолер Вагнер намира изплъзващото му се съединение описано в енциклопедията по органична химия "Байлщайн". Оказва се, че това е никотинамид и днес е известен като NADPH и NADH - каталитична активна група за пренос на водород в близо 150 познати ензима.
Заедно с физика Манфред фон Арден Варбург подобрява чувствителността на спектрометъра около 1934-35 г. Това му позволява да измерва спектрите на поглъщане на светлина на пиридиновите нуклеотиди. Установяването на разлики в спектралните линии със състоянието на хидрогениране предлага нови възможности за измерване на активността на ензимните реакции, които включват прехвърлянето на молекулен водород от или към пиридиновите нуклеотиди. NADH, респективно NADPH-свързаният анализ, е причината да започне оттук-нататък измерването на множество ензимни активности и става популярен като оптичния тест. През следващите 10 години Варбург е първият, който кристализира и характеризира 9 от 13-те гликолитични ензима. Сред тях са лактат дехидрогеназа, пируват киназа, енолаза и глицералдехид фосфат дехидрогеназа. Тези ключови ензими днес отново се изследват във връзка с метаболизма на рака. Устройството, с което се извършва оптичния тест, впоследствие се подобрява и става достъпно в търговската мрежа. Така тестът се превръща в световен ензимен и аналитичен инструмент.
Сам срещу всички
През последния период от живота си Ото Варбург продължава да работи върху туморния метаболизъм и фотосинтезата, най-вече върху ролята на дишането в туморгенезата. Той държи на хипотезата си, че "дишането на всички ракови клетки е увредено", което предизвиква спорове в научната общност, проследен от изданието Science. Ученият публикува концепциите си за първичните (крайните) и вторичните (отдалечените) причини за рак. Според него съществуват неизброимо много вторични причини, но основната е заместването на клетъчното дишане с ферментация, т.е. образуване на лактат (млечна киселина). Биохимикът излага тези си идеи на редица престижни срещи, една от които е Годишната среща на Нобеловите лауреати през 1966 г. в Линдау, Германия. Там се сблъсква с несъгласието на много други учени. Становището му противоречи на новопоявили се открития за променената генетика на раковите клетки, водещи до нерегулирана пролиферация и туморен растеж.
>>> Ото Варбург и приносът му в изследването на рака
Варбург е убеден, че 80% от злокачествените заболявания могат да бъдат избегнати само чрез намаляване на нивото на канцерогените. Той държи на мнението си, че ракът е хранителен проблем, който може да бъде предотвратен благодарение на поддържане на подходяща естествена диета. Още през 40-те години ученият, за когото се твърди, че има фобия от рака заради фамилна наследственост, води дисциплиниран начин на живот. Следи строго откъде произлиза всеки продукт на масата му, произвежда собствена продукция, спортува. След като сестра му Лоте умира от злокачествено заболяване през 1948 г., биохимикът отказва цигарите. Предупреждава германското Министерство на здравеопазването да бъдат намалени тютюнопушенето сред населението, изгорелите газове от моторните превозни средства, химическите добавки в храните и замърсяването на въздуха като мярка срещу рака. Но в средата на миналия век никой не си дава сметка за подобни опасности, които днес са доказани като вредни на човешкото здраве.
Статията е част от историята на:
Коментари към Ото Варбург и научните постижения в кариерата му