Esther Lederberg

Ihre Entdeckung von Lambda hatte großen Einfluss auf die Molekulargenetik und Virologie

Esther Miriam Zimmer Lederberg war eine amerikanische Mikrobiologin und Pionierin der Bakteriengenetik. Zu ihren bemerkenswerten Entdeckungen gehören das Bakteriophage λ, die Übertragung von Genen zwischen Bakterien durch spezialisierte Transduktion, die spontane Natur von Mutationen durch Replikatplattung und die Entdeckung des bakteriellen Fertilitätsfaktors F, der die Übertragung von Genen auf andere Bakterien fördert.

Lederberg gründete und leitete auch das inzwischen aufgelöste Plasmid Reference Center der Stanford University, wo sie Plasmide vieler Art verwaltete, benannte und verteilte, einschließlich solcher, die für Antibiotikaresistenz, Schwermetallresistenz, Virulenz, Konjugation, Colicine, Transposons und andere unbekannte Faktoren kodieren.

Als Frau in einem männerdominierten Bereich und als Ehefrau eines Nobelpreisträgers kämpfte Lederberg um berufliche Anerkennung. Trotz ihrer grundlegenden Entdeckungen auf dem Gebiet der Mikrobiologie wurde ihr nie eine Stelle mit Tenure an einer Universität angeboten. Lehrbücher ignorieren häufig ihre Arbeit und schreiben ihre Errungenschaften ihrem Ehemann Joshua zu.

Frühe Jahre

Esther Miriam Zimmer war das erste von zwei Kindern, die in der Bronx, New York, in einer Familie mit orthodoxem jüdischem Hintergrund geboren wurden. Ihre Eltern waren David Zimmer, ein Einwanderer aus Rumänien, der eine Druckerei betrieb, und Pauline Geller Zimmer. Ihr Bruder Benjamin Zimmer folgte 1923. Als Kind der Großen Depression bestand ihr Mittagessen oft aus einem Stück Brot, das mit dem Saft einer ausgepressten Tomate beträufelt wurde. Zimmer lernte Hebräisch und nutzte diese Fähigkeit, um Pessach-Seder abzuhalten.

Zimmer besuchte die Evander Childs High School in der Bronx und machte ihren Abschluss mit 16 Jahren. Sie erhielt ein Stipendium, um die Hunter College in New York City zu besuchen und begann dort in diesem Herbst. Am College wollte Zimmer zunächst Französisch oder Literatur studieren, wechselte aber gegen die Empfehlung ihrer Lehrer ihr Studienfach zu Biochemie, da diese der Ansicht waren, dass Frauen Schwierigkeiten hatten, eine Karriere in den Naturwissenschaften zu erreichen. Sie arbeitete als Forschungsassistentin im New York Botanical Garden und führte Forschungen zu Neurospora crassa mit dem Pflanzenpatholog Bernard Ogilvie Dodge durch. Sie erhielt einen Bachelor-Abschluss in Genetik und machte ihren Abschluss cum laude 1942 im Alter von 20 Jahren.

Nach ihrem Abschluss von Hunter arbeitete Zimmer als Forschungsassistentin für Alexander Hollaender an der Carnegie Institution of Washington, später Cold Spring Harbor Laboratory, wo sie weiterhin mit N. crassa arbeitete und ihre erste Arbeit in Genetik veröffentlichte. 1944 erhielt sie ein Stipendium der Stanford University und arbeitete als Assistentin von George Wells Beadle und Edward Tatum. Als sie Tatum bat, ihr Genetik beizubringen, lehnte er zunächst ab, bis er sie aufforderte, herauszufinden, warum in einer Flasche mit Drosophila-Fruchtfliegen eine Fliege anders gefärbte Augen hatte als die anderen. Dies arbeitete sie so erfolgreich aus, dass Tatum sie zu seiner TA machte. Sie reiste später nach Westen nach Kalifornien und besuchte nach einem Sommer an der Hopkins Marine Station der Stanford University unter Cornelius Van Niel ein Master-Programm in Genetik. Stanford verlieh ihr 1946 einen Master-Abschluss. Ihre M.A.-Arbeit trug den Titel „Mutant Strains of Neurospora Deficient in Para-Aminobenzoic Acid". Im selben Jahr heiratete sie Joshua Lederberg, der damals Student von Tatums an der Yale University war. Lederberg zog zum Osborne Botanical Laboratory der Yale University und zog später zur University of Wisconsin, nachdem ihr Ehemann dort Professor wurde. Dort verfolgte sie einen Doktortitel. Von 1946 bis 1949 erhielt sie ein Promotionsstipendium des National Cancer Institute. Ihre Arbeit war „Genetic control of mutability in the bacterium Escherichia coli." Sie schloss ihre Promotion 1950 unter der Aufsicht von R. A. Brink ab.

Beiträge zur Mikrobiologie und Genetik

Lederberg blieb während der meisten 1950er Jahre an der University of Wisconsin. Dort entdeckte sie das Lambda-Phage, führte frühe Forschungen zur Beziehung zwischen Transduktion und Lambda-Phage-Lysogenie durch, entdeckte den E. coli F-Fertilitätsfaktor mit Luigi Luca Cavalli-Sforza und veröffentlichte schließlich mit Joshua Lederberg, entwickelte die erste erfolgreiche Implementierung der Replikatplattung mit Joshua Lederberg und half bei der Entdeckung und dem Verständnis der genetischen Mechanismen der spezialisierten Transduktion. Diese Beiträge legten den Grundstein für einen Großteil der in der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts durchgeführten Genetikarbeiten. Wegen ihrer Arbeit gilt sie als Pionierin der Bakteriengenetik.

λ Bakteriophage

Esther Lederberg war die erste, die das λ-Bakteriophage isolierte. Sie berichtete zum ersten Mal von der Entdeckung 1951, als sie Doktorandin war, und lieferte später eine detaillierte Beschreibung in einem 1953er Artikel in der Zeitschrift Genetics. Sie arbeitete mit einem E. coli K12-Stamm, der mit ultraviolettem Licht mutagenisiert worden war. Als sie ein Gemisch des Mutantenstamms mit seinem Eltern-E. coli K12-Stamm auf einer Agarplatte züchtete, sah sie Plaques, von denen bekannt war, dass sie durch Bakteriophagen verursacht wurden. Die Quelle des Bakteriophagen war der elterliche K12-Stamm. Die UV-Behandlung hatte das Bakteriophage aus der Mutante „geheilt", was es anfällig für eine Infektion durch das gleiche Bakteriophage machte, das das Elter produzierte. Das Bakteriophage wurde λ genannt. Ihre Studien zeigten, dass λ sowohl einen typischen Lebensstil hatte, bei dem das Phage schnell viele Kopien von sich selbst machte, bevor es aus dem E. coli-Wirt ausbrach, als auch einen alternativen Lebensstil, bei dem das Phage ruhig in E. coli existierte, nur als ein weiteres genetisches Merkmal.

Esther und Joshua Lederberg zeigten, dass λ in seiner ruhenden Form genetisch in der Nähe der E. coli-Gene kartiert wurde, die für den Stoffwechsel des Zuckers Galaktose gal erforderlich sind. Die Lederbergs schlugen vor, dass sich das genetische Material von λ physisch in das Chromosom neben den gal-Genen integriert und anschließend als Prophage zusammen mit der DNA des Wirtsbakteriums repliziert. Wenn das Prophage später aufgefordert wird, den Wirt zu verlassen, muss es sich selbst aus der Wirts-DNA ausschneiden. Gelegentlich wird die Phage-DNA, die ausgeschnitten wird, von benachbarter Wirtsbakterien-DNA begleitet, die vom Phage in einen neuen Wirt eingeführt werden kann. Dieser Prozess wird als spezialisierte Transduktion bezeichnet.

Nach der Veröffentlichung ihrer Studien über λ im Laufe mehrerer Jahre präsentierte Lederberg ihre Ergebnisse auf internationalen Konferenzen. 1957 hielt Lederberg einen Vortrag über λ-Lysogenie und spezialisierte Transduktion beim Symposium of Bacterial and Viral Genetics in Canberra, Australien. 1958 präsentierte sie ihre Ergebnisse zur Feinstruktur-Kartierung des gal-Locus beim 10. Internationalen Genetik-Kongress in Montreal, Kanada.

Bakterieller Fertilitätsfaktor F

Lederbergs Entdeckung des Fertilitätsfaktors oder F-Faktors stammte direkt aus ihren Experimenten zur Kartierung der Position des Lambda-Prophagen auf dem E. coli-Chromosom durch Kreuzungen mit anderen E. coli-Stämmen mit bekannten genetischen Markern. Als einige der Kreuzungen keine Rekombinanten hervorbrachten, vermutete sie, dass einige ihrer E. coli-Stämme einen „Fertilitätsfaktor" verloren hatten. In ihren eigenen Worten:

In Bezug auf die Prüfung verfügbarer Marker ... zeigten die Daten, dass es einen spezifischen Locus für Lysogenität gab. ... Im Laufe solcher Kopplungs- [genetischen Mapping] Studien, ... eines Tages wurden KEINE Rekombinanten gewonnen. ... Ich erkundete die Vorstellung, dass es eine Art von „Fertilitätsfaktor" gab, der, falls abwesend, zu keinen Rekombinanten führte. Kurz gesagt nannte ich dies F.

Spätere Arbeiten anderer zeigten, dass der F-Faktor eine bakterielle DNA-Sequenz ist, die Gene enthält, die es einem Bakterium ermöglichen, DNA durch direkten Kontakt in einem Prozess namens Konjugation an ein empfängendes Bakterium zu spenden. Die DNA-Sequenz, die den F-Faktor kodiert, kann entweder als unabhängiges Plasmid existieren oder sich in das Chromosom der Bakterienzelle integrieren.

Ursprung von Mutationen

Das Problem, bakterielle Kolonien en masse in der gleichen geometrischen Konfiguration wie auf der ursprünglichen Agarplatte zu reproduzieren, wurde erstmals erfolgreich durch Replikatplattung gelöst, wie sie von Esther und Joshua Lederberg implementiert wurde. Wissenschaftler hatten mindestens ein Jahrzehnt lang nach einer zuverlässigen Lösung gesucht, bevor die Lederbergs sie schließlich erfolgreich implementierten. Weniger effiziente Vorläufer der Methode waren Zahnstocher, Papier, Drahtbürsten und mehrspitzige Impfnadeln. Die Biografin Rebecca Ferrell ist der Ansicht, dass die von Lederberg erfundene Methode wahrscheinlich dadurch inspiriert wurde, dass sie die Presse ihres Vaters bei seiner Arbeit nutzte und eine Platte mit Bakterienkolonien auf sterilen Samt drückte, woraufhin sie auf Platten mit Medien unterschiedlicher Zusammensetzung gestempelt wurden, je nach den gewünschten Merkmalen, die der Forscher beobachten wollte.

Die Lederbergs nutzten die Replikatplattungs-Methode, um zu demonstrieren, dass Bakteriophage- und Antibiotika-Resistenz-Mutanten in Abwesenheit von Phagen oder Antibiotika entstanden. Die spontane Natur von Mutationen war zuvor von Luria und Delbrück demonstriert worden. Jedoch scheiterten viele Wissenschaftler darin, die mathematischen Argumente der Ergebnisse von Luria und Delbrück zu verstehen, und ihr Artikel wurde von anderen Wissenschaftlern entweder ignoriert oder abgelehnt. Die Kontroverse wurde durch das einfache Replikatplattungs-Experiment der Lederbergs beigelegt.

Plasmid Reference Center

Esther Lederberg kehrte 1959 mit Joshua Lederberg zu Stanford zurück. Sie blieb für den Rest ihrer Forschungskarriere an der Stanford und leitete das Plasmid Reference Center PRC an der Stanford School of Medicine von 1976 bis 1986. Als Direktorin des PRC organisierte und verwaltete sie ein Register der weltweiten Plasmide, Transposons und Insertionssequenzen. Sie initiierte das System der sequenziellen Benennung von Insertionssequenzen und Transposons, beginnend mit IS1 und Tn1. Die sequenzielle Nummerierung setzte sich bis zu ihrer Pensionierung fort.

Sie zog sich 1985 von ihrer Position in der Stanford-Abteilung für Mikrobiologie und Immunologie zurück, führte aber ihre Arbeit im PRC als Freiwillige fort.

Berufliche Auszeichnungen

• 1956 Society of Illinois Bacteriologists: Pasteur Award mit Joshua Lederberg
• 1959 Fulbright Fellowship in Bakteriologie, um an der Melbourne University in Australien zu arbeiten.
• Fellow der American Association for the Advancement of Science

1985 wurde Lederberg als emeritierte Professorin für Mikrobiologie und Immunologie an der Stanford University geehrt.

Berufliche Herausforderungen: Geschlechterdiskriminierung

Der Mikrobiologe Stanley Falkow sagte über Esther Lederberg: „Experimentell und methodologisch war sie ein Genie im Labor." Jedoch, obwohl Esther Lederberg eine Pionierforscherin war, stand sie in den 1950er und 1960er Jahren als Wissenschaftlerin vor erheblichen Herausforderungen.

Nach ihren grundlegenden Entdeckungen des F-Faktors und λ im Postgraduiertenstudium hinderte Joshua Lederberg sie daran, zusätzliche Experimente durchzuführen, um ihre Entdeckungen zu verfolgen. Nach Esthers Aussage wollte Joshua als ihr Promotionsbetreuer, dass sie ihre Doktordissertation beendete. Ihr Graduiertenschul-Betreuer, R.A. Brink, erkannte möglicherweise nicht die Bedeutung ihrer Entdeckungen. Sie könnte vollständig für ihre Entdeckungen anerkannt worden sein, wenn ihr erlaubt worden wäre, sie sofort zu verfolgen. Stattdessen schadete die Verzögerung ihrem Vermächtnis als unabhängige Forschungswissenschaftlerin, und ihre Ergebnisse zur bakteriellen Sexualität werden jetzt in erster Linie ihrem Ehemann zugeschrieben. Tatsächlich heben die meisten Lehrbücher Joshua Lederbergs Rolle bei den gemeinsam mit Esther gemachten Entdeckungen hervor. Der mangelnde Kredit, den Esther Lederberg für die Entwicklung der Replikatplattungs-Technik erhält, wurde als Beispiel für den Matilda-Effekt angeführt, bei dem Entdeckungen von Wissenschaftlerinnen unfairerweise ihren männlichen Kollegen zugeschrieben werden. Als Joshua 1958 den Nobelpreis gewann, sahen die Forschungszentren, die ihn rekrutierten, Esther als seine Ehefrau und Forschungsassistentin anstelle einer unabhängigen Wissenschaftlerin.

Lederberg wurde ausgeschlossen, ein Kapitel im 1966er Buch Phage and the Origins of Molecular Biology zu schreiben, eine Würdigung der Molekularbiologie. Nach Aussage der Wissenschaftshistorikerin Prina Abir-Am war ihr Ausschluss „unbegreiflich", weil ihrer wichtigen Entdeckungen in der Bakteriophagen-Genetik. Abir-Am führte ihren Ausschluss teilweise auf den Sexismus zurück, der in den 1960er Jahren vorherrschte.

Wie Luigi Luca Cavalli-Sforza später schrieb: „Dr. Esther Lederberg hatte das Privileg, mit einem sehr berühmten Ehemann zu arbeiten. Dies war manchmal auch ein Rückschlag, da sie unvermeidlich nicht mit so viel Anerkennung anerkannt wurde, wie sie wirklich verdiente. Ich weiß, dass sehr wenige Menschen, wenn überhaupt, von einem so wertvollen Mitarbeiter profitiert haben wie Joshua." Trotzdem würdigte ihr Ehemann Joshua ihre Arbeit und Beiträge. Als das Paar 1951 am Cold Spring Harbor Symposium teilnahm, diskutierte er Esthers Doktorarbeit über E. coli und würdigte sie als zweite Autorin. Ferrell vermerkt jedoch, dass er ihre Arbeit später nicht würdigte, als er einen autobiographischen Bericht über ihre Entdeckung der genetischen Rekombination bei Bakterien schrieb.

Lederberg war eine Fürsprecherin für sich selbst und andere Frauen in den frühen Jahren der zweiten Welle des Feminismus. Wie viele andere Wissenschaftlerinnen an der Stanford University kämpfte Lederberg um berufliche Anerkennung. Als ihr Ehemann 1959 seine Amtszeit als Leiter der Genetikabteilung an der Stanford begann, reichten sie und zwei weitere Frauen beim Dekan der medizinischen Fakultät eine Petition gegen den Mangel an weiblichem Lehrpersonal ein. Sie erhielt schließlich eine Stelle als Research Associate Professor in der Abteilung für Mikrobiologie und Immunologie, aber die Stelle war nicht fest angestellt. Nach Ansicht von Abir-Am musste Esther um ihre Anstellung an der Stanford kämpfen, nachdem sie sich von Joshua trennte. Später 1974 wurde sie als Senior Scientist gezwungen, sich in eine Stelle als Adjunct Profess zu begeben