Intervju: dr. sc. Paul L. Modrich
“Mismatch repair” mehanizam popravka DNA danas je poznat svima koji su se našli u području biologije ili biomedicine, no malo je onih koji znaju da je za ovo otkriće zapravo zaslužan Amerikanac hrvatskih korijena i dobitnik Nobelove nagrade za kemiju 2015. godine - prof. dr. sc. Paul L. Modrich. Nagradu je podijelio s prof. dr. sc. Azizom Sancarom i prof. dr. sc. Tomasom Lindahlom, koji su pritom objasnili druge mehanizme popravka DNA. Zahvaljujući interesu za biologiju koji je razvio još u djetinjstvu, karijera prof. dr. sc. Modricha bila je impresivna i prije samog osvajanja Nobelove nagrade, uključujući studij na Sveučilištu MIT, doktorat na Sveučilištu Stanford, poslijedoktorat na Sveučilištu Harvard te vlastite istraživačke grupe na Sveučilištu Berkeley u Kaliforniji i Sveučilištu Duke. Uz to, dobitnik je brojnih nagrada za svoja otkrića te odabrani član raznih znanstvenih društava, a za mbio.hr ispričao je sve o putu koji ga je doveo do Nobelove nagrade, važnosti odabira mentora i znanstvenih pitanja te dao vrijedne savjete mladim znanstvenicima.
Proveli ste većinu svoje znanstvene karijere proučavajući “mismatch repair” mehanizam popravka DNA. Kako ste se prvi puta zainteresirali baš za ovu temu?
Ovo će vjerojatno biti moj najdulji odgovor jer uključuje nekoliko događaja u periodu od 10 godina. Prvi puta sam se upoznao s temom DNA na Sveučilištu MIT gdje sam bio student preddiplomskog studija od 1964. do 1968. godine, u relativno ranom periodu molekularne biologije. Tamo sam razvio interes za prirodu mutacija i proces genetičke rekombinacije, koji omogućuje izmjenu mutacija između homolognih kromosoma. Činilo mi se jasnim da se takvi procesi mogu razumjeti samo u okviru molekularnih događaja na razini DNA te sam se nakon završenog preddiplomskog studija prijavio za doktorski studij na Zavodu za biokemiju Sveučilišta Stanford, gdje se tada proučavao velik broj novootkrivenih enzima povezanih s DNA. Doktorsku disertaciju izradio sam u laboratoriju Boba Lehmana koji je proučavao DNA ligazu, ali ključni trenutak ove priče zapravo se dogodio kada su me zaintrigirali rezultati jednog članka objavljenog u laboratoriju ubrzo nakon što sam stigao na Stanford. Izuzetnim eksperimentima poslijedoktorand Zach Hall odredio je preciznost kojom DNA polimeraza bakteriofaga T4 kopira lanac DNA, pri čemu je uočio da enzim radi po 1 pogrešku na svakih milijun baza. Posebno me zaintrigiralo da je frekvencija tih pogrešaka puno veća od očekivane ako uzmemo u obzir frekvenciju kojom se pogreške u stvarnosti pojavljuju u stanicama E. coli, vrijednost koju sam naučio tijekom preddiplomskog studija. Za ove razlike imao sam dva moguća objašnjenja. Kada gledam unatrag, oba su bila pogrešna, no vratit ću se na tu temu uskoro.
Nakon kraćeg poslijedoktorskog usavršavanja u laboratoriju Charlesa Richardsona u medicinskoj školi Sveučilišta Harvard, gdje sam istraživao T7 DNA polimerazu, 1974. godine osnovao sam svoj laboratorij na Sveučilištu Berkeley u Kaliforniji, a zatim se 1976. godine preselio na Sveučilište Duke. Jedan od velikih problema u to doba, barem prema mojem mišljenju, bio je shvatiti na koji način protein koji se veže na specifično mjesto na molekuli DNA prepoznaje sekvencu na koju se veže i kako pretražuje molekulu DNA da bi ju našao. Počeli smo raditi na tim pitanjima koristeći EcoRI restrikciju i modifikaciju enzima kao model. Većinom zbog našeg rada na EcoRI metilazi, sve me više zanimala biologija epigenetičkih oznaka i činilo mi se zanimljivim istražiti DNA adenin metilazu, koja modificira adeninske ostatke na d(GATC) mjestima. Martin Marinus na Sveučilištu Massachusetts i Bruce Konrad na Sveučilištu Stanford pokazali su da mutanti bez ovog enzima imaju zanimljiv fenotip – mutatori su i hiperrekombinatori. Moja prva studentica na Sveučilištu Duke, Gail Herman, počela je raditi na ovoj temi 1976. godine, i iako to tada nisam shvaćao, ti eksperimenti zapravo su bili početak našeg rada na “mismatch repair” mehanizmu popravka DNA.
Iste godine Matt Meselson sa Sveučilišta Harvard otvorio je mogućnost da “mismatch repair” mehanizam popravka DNA doprinosi preciznosti DNA replikacije na način da uklanja preostale pogreške polimeraze s novosintentiziranog lanca DNA. U elegantnim genetičkim eksperimentima Meselson i suradnici pokazali su da se to stvarno događa u E. coli, u ovisnosti o metilaciji d(GATC) mjesta DNA adenin metilazom. Budući da su metilne grupe dodane nakon sinteze DNA, novosintentizirana DNA neko vrijeme postoji u demetiliranom obliku i prolazna odsutnost d(GATC) modifikacija usmjerava popravak prema novom lancu. Gail Herman i ja imali smo privilegiju u manjoj mjeri doprinijeti ovim eksperimentima. Ova otkrića ponudila su jednostavno objašnjenje za razliku između točnosti DNA polimeraze i stvarne frekvencije mutacija koja me mučila tijekom doktorskog studija, i time definirala primarnu funkciju “mismatch repair” mehanizma popravka DNA u prevenciji mutacija. Osim toga, pružila su prvi dokaz o postojanju načina procesuiranja DNA koji uključuje precizno definirana mjesta na DNA: pogrešno sparene baze i hemimodificirano d(GATC) mjesto locirano drugdje na DNA heliksu.
Smatrao sam to sve fascinantnim i htio razumjeti kako put radi na molekularnoj razini. A-Lien Lu, poslijedoktorand u laboratoriju, razvio je biokemijski test za mismatch repair mehanizam popravka DNA i demonstrirao reakciju u ekstraktima E. coli stanica. Ostalo je povijest.
Koliko dugo Vam je trebalo da od početne ideje dođete do otkrića vrijednog Nobelove nagrade? Kako je izgledao cijeli proces istraživanja?
Prvi članak na temu metilacijom posredovanog “mismatch repair” mehanizma popravka DNA u E. coli objavili smo 1983., a posljednji 2001. godine. Prvi članak koji je istraživao ljudski “mismatch repair” mehanizam objavili smo 1990. godine, a na njemu radimo još i danas. Navedene studije dovele su do identifikacije 13 proteina i enzima uključenih u ovaj mehanizam u stanicama E. coli i 9 u ljudskim stanicama te time postavile temelje reakcije u oba organizma. Tijekom našeg istraživanja mehanizma u ljudskim stanicama, otkrili smo da karcinomi uzrokovani Lynch sindromom i pojedini sporadični tumori pokazuju defekte u “mismatch repair” mehanizmu popravka DNA i identificirali komponente sustava koje u tim tumorskim stanicama nedostaju. Ovo je bila jedna od prvih demonstracija da genetička nestabilnost dovodi do razvoja karcinoma. Osim toga, pokazali smo da stanice kod kojih je ovaj mehanizam disfunkcionalan pokazuju rezistenciju na određene antitumorske lijekove.
Studirali ste i radili na nekim od najboljih znanstvenih institucija u svijetu. Što biste izdvojili kao najvrjednije vještine i lekcije koje ste naučili od svojih tamošnjih mentora?
Prvi puta sam se upoznao s molekularnom biologijom kao student preddiplomskog studija na Sveučilištu MIT i nekoliko ljudi tamo imalo je velik utjecaj na razvoj mojeg interesa za molekularnu genetiku. Posebno važan utjecaj imao je Salvador Luria, koji je bio moj mentor i predavač izvrsnog kolegija o mikrobiologiji iz genetičke perspektive. Uz to, našao mi je posao perača posuđa u laboratoriju Ethana Singera, gdje su me doktorand Fred Ausubel i poslijedoktorand Steve Heinemann uključili u neke od genetičkih eksperimenata na bakteriofagu lambda. Fred je bio osobito drag prema meni i ova prilika samo je pojačala moj rastući interes za karijeru u eksperimentalnoj znanosti. No uistinu sam naučio kako se baviti znanošću radeći s Bobom Lehmanom na Sveučilištu Stanford. Bob je divan čovjek, i bio je jedan od onih strpljivih mentora koji daju veliku količinu slobode za razvijanje vlastitih ideja i eksperimentalnog stila. U to vrijeme na mene su također velik utjecaj imali Arthur Kornberg poznat po radu na DNA polimerazi, čiji je laboratorij bio vrata do Bobovog, Jim Wang sa Sveučilišta Berkeley u Kaliforniji, koji je provodio sabbatical na Sveučilištu Stanford i s kojim sam surađivao na nekim eksperimentima na DNA ligazi, te Charles Richardson, kod kojeg sam bio na poslijedoktorskom usavršavanju. Naučio sam mnogo stvari gledajući ove izvrsne znanstvenike, no kao ono najvrjednije možda bih izdvojio golemu važnost izbora znanstvenog problema. Izbor značajnog problema, razvoj i njegovo rješavanje glavni su koraci u uspješnoj znanstvenoj karijeri.
Gledajući unatrag, što biste izdvojili kao najzahvalniji dio bavljenja znanošću?
Smatram se eksperimentalistom i uvijek sam uživao u rješavanju problema prilikom rada u laboratoriju. Elegantni eksperimentalni dizajn koji daje odgovor na jedan ili drugi način prekrasan je intelektualni konstrukt, i naravno, malo je stvari koje pružaju veće zadovoljstvo od toga kada svojim eksperimentom dođeš do izvrsnog rezultata. Takva postignuća događaju se u laboratoriju s doktorandima i poslijedoktorandima, a kroz godine sam dijelio laboratorij s otprilike 70 pametnih mladih ljudi. Raditi s njima bila je privilegija, a gledati kako im se karijere razvijaju nakon odlaska iz mog laboratorija jedno od mojih najvećih zadovoljstava.
Imate li savjet za mlade znanstvenike koji tek započinju svoju karijeru?
Ograničit ću svoje komentare na mlade ljude koji žele započeti neovisnu karijeru u akademskom istraživačkom okruženju, s čime sam najviše upoznat. U tom slučaju, jedna od najvažnijih stvari, kao što sam već spomenuo, odabir je dobrog problema. Mislim da je najbolja vrsta problema ona za koju vjerujete da uključuje važno pitanje koje nije dobilo dovoljno pažnje u polju kojim se bavite. Postoji nekoliko prednosti rada na nedovoljno istraženom problemu. Gotovo sve što otkrijete bit će nova informacija i samim time relativno će se lako objaviti. Uz to, neistraženo pitanje obično znači da ne postoji puno kompeticije iz drugih laboratorija. No, ako riješite problem, a pritom ste bili u pravu oko procjene njegove važnosti, vaš rad će vjerojatno do neke razine promijeniti način razmišljanja u području. To je ultimativni standard znanstvenog uspjeha.
Dodat ću još jedan prijedlog, koji mi je u obliku očinskog savjeta prenio Bob Lehman kada sam odlazio iz njegovog laboratorija. Kada započnete svoj laboratorij, radite na temi koja se razlikuje od onih kojima ste se bavili tijekom doktorskog studija ili poslijedoktorskog usavršavanja. Uvijek je najlakše nastaviti raditi ono o čemu već puno znate, no tu postoji rizik da će oni koji će procjenjivati vaš rad teško razlikovati vaše ideje od onih vaših prijašnjih mentora. S druge strane, rad u novom području dozvolit će vam da kreirate vlastiti znanstveni identitet bez da morate o tome brinuti.
Više informacija o biografiji i radu prof. dr. sc. Modricha dostupno je na mrežnim stranicama Nobelove nagrade.
Photo: Megan Morr/Duke Photography
