Wissenschaftliche Forschung ist einer der aufregendsten und lohnendsten Berufe.
Frederick Sanger war ein britischer Biochemiker, der zweimal den Nobelpreis für Chemie gewann, einer von nur zwei Menschen, die dies in der gleichen Kategorie getan haben – der andere ist John Bardeen in Physik –, die vierte Person insgesamt mit zwei Nobelpreisen und die dritte Person insgesamt mit zwei Nobelpreisen in den Naturwissenschaften. 1958 erhielt er den Nobelpreis für Chemie „für seine Arbeiten über die Struktur von Proteinen, besonders die des Insulins". 1980 teilten Walter Gilbert und Sanger sich die Hälfte des Chemiepreises „für ihre Beiträge zur Bestimmung der Basensequenzen in Nucleinsäuren". Die andere Hälfte erhielt Paul Berg „für seine grundlegenden Studien zur Biochemie der Nucleinsäuren, insbesondere unter Berücksichtigung der rekombinanten DNA".
Frühen Leben und Ausbildung
Frederick Sanger wurde am 13. August 1918 in Rendcomb, einem kleinen Dorf in Gloucestershire, England, geboren. Er war der zweite Sohn von Frederick Sanger, einem praktischen Arzt, und seiner Frau Cicely Sanger, geb. Crewdson. Er war eines von drei Kindern. Sein Bruder Theodore war nur ein Jahr älter, während seine Schwester May Mary fünf Jahre jünger war. Sein Vater hatte als anglikanischer medizinischer Missionar in China gearbeitet, kehrte aber wegen schlechter Gesundheit nach England zurück. Er war 40 Jahre alt, als er 1916 Cicely heiratete, die vier Jahre jünger war. Sangers Vater konvertierte bald nach der Geburt seiner beiden Söhne zum Quäkertum und zog die Kinder als Quäker auf. Sangers Mutter war die Tochter eines wohlhabenden Baumwollherstellers und hatte einen Quäker-Hintergrund, war aber selbst keine Quäkerin.
Als Sanger etwa fünf Jahre alt war, zog die Familie in das kleine Dorf Tanworth-in-Arden in Warwickshire. Die Familie war relativ wohlhabend und beschäftigte eine Gouvernante, um die Kinder zu unterrichten. 1927, im Alter von neun Jahren, wurde er in die Downs School geschickt, eine von Quäkern geführte Privatschule in der Nähe von Malvern. Sein Bruder Theo war ein Jahr vor ihm in derselben Schule. 1932, im Alter von 14 Jahren, wurde er in die kürzlich gegründete Bryanston School in Dorset geschickt. Diese verwendete das Dalton-System und hatte ein liberaleres Regime, das Sanger sehr bevorzugte. In der Schule mochte er seine Lehrer und genoss besonders naturwissenschaftliche Fächer. Da er sein School Certificate ein Jahr früher absolvieren konnte – wofür er sieben Punkte erhielt – konnte Sanger das letzte Jahr seiner Schulzeit größtenteils damit verbringen, in einem Labor neben seinem Chemielehrer Geoffrey Ordish zu experimentieren, der ursprünglich an der Cambridge University studiert hatte und Forscher im Cavendish Laboratory war. Die Arbeit mit Ordish war eine erfrischende Abwechslung zum Studieren von Büchern und weckte in Sanger den Wunsch, eine wissenschaftliche Karriere zu verfolgen.
1936 ging Sanger zum St John's College in Cambridge, um Naturwissenschaften zu studieren. Sein Vater hatte das gleiche College besucht. Für Part I seines Tripos belegte er Kurse in Physik, Chemie, Biochemie und Mathematik, hatte aber Schwierigkeiten mit Physik und Mathematik. Viele andere Studenten hatten in der Schule mehr Mathematik studiert. In seinem zweiten Jahr ersetzte er Physik durch Physiologie. Er brauchte drei Jahre, um seinen Part I zu absolvieren. Für seinen Part II studierte er Biochemie und erhielt Honors erster Klasse. Biochemie war ein relativ neuer von Gowland Hopkins gegründeter Fachbereich mit begeisterten Dozenten, zu denen Malcolm Dixon, Joseph Needham und Ernest Baldwin gehörten.
Beide Eltern starben an Krebs während seiner ersten zwei Jahre in Cambridge. Sein Vater war 60 und seine Mutter war 58. Als Undergraduate wurden Sangers Überzeugungen stark von seiner Quäker-Erziehung beeinflusst. Er war Pazifist und Mitglied der Peace Pledge Union. Durch sein Engagement bei der Cambridge Scientists Anti-War Group lernte er seine zukünftige Frau Joan Howe kennen, die Wirtschaft am Newnham College studierte. Sie verlobten sich, während er für seine Part II-Prüfungen studierte, und heirateten, nachdem er 1940 sein Studium abschloss. Sanger, obwohl von seiner religiösen Erziehung geprägt und beeinflusst, begann später, seine quäkerischen Wege aus den Augen zu verlieren. Er begann, die Welt durch eine wissenschaftlichere Linse zu sehen, und mit dem Wachstum seiner Forschung und wissenschaftlichen Entwicklung entfernte er sich allmählich von dem Glauben, mit dem er aufwuchs. Er hat nur Respekt vor der Religion und erklärt, dass er zwei Dinge daraus mitgenommen hat: Wahrheit und Respekt vor allem Leben. Gemäß des Military Training Act 1939 wurde er provisorisch als Kriegsdienstverweigerer registriert und erneut gemäß des National Service Armed Forces Act 1939, bevor ihm ein Tribunal bedingungslose Befreiung vom Militärdienst gewährte. In der Zwischenzeit absolvierte er eine Ausbildung in sozialer Hilfsarbeit im Quäker-Zentrum Spicelands, Devon, und diente kurzzeitig als Krankenhaushelfer.
Sanger begann im Oktober 1940 sein Promotionsstudium unter N.W. „Bill" Pirie. Sein Projekt war zu untersuchen, ob essbares Protein aus Gras gewonnen werden könnte. Nach weniger als einem Monat verließ Pirie die Abteilung und Albert Neuberger wurde sein Berater. Sanger änderte sein Forschungsprojekt, um den Stoffwechsel von Lysin und ein praktischeres Problem bezüglich des Stickstoffs in Kartoffeln zu untersuchen. Seine Dissertation trug den Titel „The metabolism of the amino acid lysine in the animal body". Er wurde von Charles Harington und Albert Charles Chibnall geprüft und erhielt 1943 seinen Doktortitel.
Forschung und Karriere
Sequenzierung von Insulin
Neuberger zog zum National Institute for Medical Research in London, aber Sanger blieb in Cambridge und trat 1943 der Gruppe von Charles Chibnall bei, einem Proteinchemiker, der kürzlich den Lehrstuhl in der Abteilung für Biochemie übernommen hatte. Chibnall hatte bereits einige Arbeiten zur Aminosäurenzusammensetzung von Rinderinsulin geleistet und schlug vor, dass Sanger sich die Aminogruppen im Protein ansehe. Insulin konnte in der Apothekenkette Boots gekauft werden und war eines der wenigen Proteine, die in reiner Form verfügbar waren. Bis zu diesem Zeitpunkt hatte Sanger sich selbst finanziert. In Chibnalls Gruppe wurde er zunächst vom Medical Research Council und dann von 1944 bis 1951 durch ein Beit Memorial Fellowship for Medical Research unterstützt.
Sangers erster Triumph war die Bestimmung der vollständigen Aminosäuresequenz der zwei Polypeptidketten von Rinderinsulin, A und B, 1952 bzw. 1951. Vor diesem Zeitpunkt wurde allgemein angenommen, dass Proteine etwas amorph waren. Mit der Bestimmung dieser Sequenzen bewies Sanger, dass Proteine eine definierte chemische Zusammensetzung haben.
Um zu diesem Punkt zu gelangen, verfeinerte Sanger eine Partitionschromatographie-Methode, die erstmals von Richard Laurence Millington Synge und Archer John Porter Martin entwickelt wurde, um die Zusammensetzung von Aminosäuren in Wolle zu bestimmen. Sanger verwendete ein chemisches Reagenz 1-Fluoro-2,4-dinitrobenzol, jetzt auch als Sangers Reagenz, Fluorodinitrobenzol, FDNB oder DNFB bekannt, das aus Giftgasforschungen von Bernhard Charles Saunders in der Chemiefakultät der Cambridge University stammte. Sangers Reagenz erwies sich als wirksam bei der Markierung der N-terminalen Aminogruppe an einem Ende der Polypeptidkette. Er hydrolysierte dann das Insulin teilweise in kurze Peptide, entweder mit Salzsäure oder mit einem Enzym wie Trypsin. Das Gemisch von Peptiden wurde zweidimensional auf einem Blatt Filterpapier fraktioniert, zuerst durch Elektrophorese in einer Dimension und dann senkrecht dazu durch Chromatographie in der anderen. Die verschiedenen Peptid-Fragmente von Insulin, die mit Ninhydrin nachgewiesen wurden, bewegten sich an verschiedene Positionen auf dem Papier und erzeugten ein charakteristisches Muster, das Sanger „Fingerabdrücke" nannte. Das Peptid aus dem N-Terminus konnte durch die gelbe Farbe erkannt werden, die durch die FDNB-Markierung erzeugt wurde, und die Identität der markierten Aminosäure am Ende des Peptids wurde durch vollständige Säurehydrolyse und Feststellung bestimmt, welche Dinitrophenyl-Aminosäure vorhanden war.
Durch Wiederholung dieses Verfahrens konnte Sanger die Sequenzen der vielen mit verschiedenen Methoden für die anfängliche Teilhydrolyse erzeugten Peptide bestimmen. Diese konnten dann zu längeren Sequenzen zusammengefasst werden, um die vollständige Struktur von Insulin zu deduzieren. Schließlich, da die A- und B-Ketten physiologisch inaktiv sind ohne die drei verbindenden Disulfidbrücken – zwei Interchain, eine Intrachain auf A – bestimmten Sanger und Kollegen ihre Zuordnungen 1955. Sangers Hauptschlussfolgerung war, dass die zwei Polypeptidketten des Proteins Insulin präzise Aminosäuresequenzen hatten und dass folglich jedes Protein eine eindeutige Sequenz hatte. Dies war die Leistung, die ihm 1958 seinen ersten Nobelpreis für Chemie einbrachte. Diese Entdeckung war entscheidend für die spätere Sequenzhypothese von Crick für die Entwicklung von Ideen, wie DNA für Proteine kodiert.
RNA-Sequenzierung
Ab 1951 war Sanger Mitglied des externen Stabs des Medical Research Council und als diese 1962 das Laboratory of Molecular Biology eröffneten, zog er aus seinen Laboratorien in der Biochemie-Abteilung der Universität in die oberste Etage des neuen Gebäudes um. Er wurde Leiter der Proteinchemie-Abteilung.
Vor seinem Umzug begann Sanger, die Möglichkeit der Sequenzierung von RNA-Molekülen zu erkunden und entwickelte Methoden zur Trennung von Ribonukleotid-Fragmenten, die mit spezifischen Nukleasenangenerierten. Diese Arbeit verrichtete er, während er versuchte, die Sequenzierungstechniken zu verfeinern, die er während seiner Arbeit zum Insulin entwickelt hatte.
Die Schlüsselherausforderung der Arbeit war das Finden eines reinen RNA-Stücks zum Sequenzieren. Im Laufe der Arbeit entdeckte er 1964 zusammen mit Kjeld Marcker die Formylmethionin-tRNA, die die Proteinsynthese in Bakterien einleitet. Er wurde in dem Rennen, der erste zu sein, eine tRNA-Molekül zu sequenzieren, von einer Gruppe unter der Leitung von Robert Holley von der Cornell University geschlagen, die die Sequenz der 77 Ribonukleotide von Alanin-tRNA aus Saccharomyces cerevisiae 1965 veröffentlichte. Bis 1967 hatte Sangers Gruppe die Nukleotidsequenz der 5S-Ribosomal-RNA aus Escherichia coli bestimmt, eine kleine RNA mit 120 Nukleotiden.
DNA-Sequenzierung
Sanger wandte sich dann der DNA-Sequenzierung zu, die einen völlig anderen Ansatz erfordern würde. Er untersuchte verschiedene Wege, DNA-Polymerase I von E. coli zu verwenden, um einzelsträngige DNA zu kopieren. 1975 veröffentlichte er zusammen mit Alan Coulson ein Sequenzierungsverfahren unter Verwendung von DNA-Polymerase mit radioaktiv markierten Nukleotiden, das er die „Plus und Minus"-Technik nannte. Dies umfasste zwei eng verwandte Methoden, die kurze Oligonukleotide mit definierten 3'-Enden erzeugten. Diese konnten durch Elektrophorese auf einem Polyacrylamidgel fraktioniert und mittels Autoradiographie visualisiert werden. Das Verfahren konnte bis zu 80 Nukleotide auf einmal sequenzieren und war ein großer Fortschritt gegenüber dem vorherigen, war aber immer noch sehr mühsam. Nichtsdestotrotz war seine Gruppe in der Lage, die meisten der 5.386 Nukleotide des einzelsträngigen Bakteriophagen φX174 zu sequenzieren. Dies war das erste vollständig sequenzierte DNA-basierte Genom. Zu ihrer Überraschung entdeckten sie, dass die Codierungsregionen einiger Gene mit anderen überlappten.
1977 führten Sanger und Kollegen die „Dideoxy"-Kettenabbruchmethode zur DNA-Sequenzierung ein, auch als die „Sanger-Methode" bekannt. Dies war ein großer Durchbruch und ermöglichte es, lange DNA-Strecken schnell und genau zu sequenzieren. Dies brachte ihm 1980 seinen zweiten Nobelpreis für Chemie ein, den er mit Walter Gilbert und Paul Berg teilte. Die neue Methode wurde von Sanger und Kollegen verwendet, um die menschliche Mitochondrien-DNA mit 16.569 Basenpaaren und den Bakteriophagen λ mit 48.502 Basenpaaren zu sequenzieren. Die Dideoxy-Methode wurde schließlich verwendet, um das gesamte menschliche Genom zu sequenzieren.
Postgraduierte Studenten
Im Laufe seiner Karriere betreute Sanger mehr als zehn Promotionsstudenten, zwei von denen später auch Nobelpreise gewannen. Sein erster Doktorand war Rodney Porter, der 1947 die Forschungsgruppe beitrat. Porter teilte sich später den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 1972 mit Gerald Edelman für seine Arbeit zur chemischen Struktur von Antikörpern. Elizabeth Blackburn studierte zwischen 1971 und 1974 für einen PhD in Sangers Laboratorium. Sie teilte sich den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2009 mit Carol W. Greider und Jack W. Szostak für ihre Arbeit an Telomeren und der Aktion der Telomerase.
Auszeichnungen und Ehrungen
Ab 2015 ist Sanger die einzige Person, der der Nobelpreis für Chemie zweimal verliehen wurde, und einer von nur vier zweifachen Nobelpreisträgern: Die anderen drei waren Marie Curie Physik, 1903 und Chemie, 1911, Linus Pauling Chemie, 1954 und Frieden, 1962 und John Bardeen zweimal Physik, 1956 und 1972.
- Wahl zum Fellow der Royal Society FRS 1954
- Commander of the Order of the British Empire – 1963
- Order of the Companions of Honour – 1981
- Order of Merit – 1986
- Corresponding Fellow der Australian Academy of Science – 1982
- William Bate Hardy Prize – 1976
- Nobelpreis für Chemie – 1958, 1980
- Corday–Morgan Medal – 1951
- Royal Medal – 1969
- Gairdner Foundation International Award – 1971
- Copley Medal – 1977
- G.W. Wheland Award – 1978
- Louisa Gross Horwitz Prize der Columbia University – 1979
- Albert Lasker Award for Basic Medical Research – 1979
- Association of Biomolecular Resource Facilities Award – 1994
- Golden Plate Award der American Academy of Achievement - 2000
- Citation for Chemical Breakthrough Award der Division of History of Chemistry der American Chemical Society – 2016
Das Wellcome Trust Sanger Institute, ehemals das Sanger Centre, ist nach ihm benannt.
