La recherche scientifique est l'une des occupations les plus passionnantes et enrichissantes.
Frederick Sanger était un biochimiste britannique qui a remporté deux fois le prix Nobel de chimie, l'un des deux seuls à l'avoir fait dans la même catégorie, l'autre étant John Bardeen en physique, la quatrième personne au total avec deux prix Nobel, et la troisième personne au total avec deux prix Nobel dans les sciences. En 1958, il a reçu le prix Nobel de chimie « pour ses travaux sur la structure des protéines, en particulier celle de l'insuline ». En 1980, Walter Gilbert et Sanger ont partagé la moitié du prix de chimie « pour leurs contributions concernant la détermination des séquences de bases dans les acides nucléiques ». L'autre moitié a été attribuée à Paul Berg « pour ses études fondamentales de la biochimie des acides nucléiques, en particulier en ce qui concerne l'ADN recombinant ».
Débuts et éducation
Frederick Sanger est né le 13 août 1918 à Rendcomb, un petit village du Gloucestershire, en Angleterre, le deuxième fils de Frederick Sanger, médecin généraliste, et de sa femme, Cicely Sanger née Crewdson. Il était l'un des trois enfants. Son frère, Theodore, n'avait qu'un an de plus, tandis que sa sœur May Mary avait cinq ans de moins. Son père avait travaillé comme missionnaire médical anglican en Chine mais est revenu en Angleterre en raison de problèmes de santé. Il avait 40 ans en 1916 quand il a épousé Cicely qui était quatre ans plus jeune. Le père de Sanger s'est converti au quakérisme peu après la naissance de ses deux fils et a élevé les enfants comme des quakers. La mère de Sanger était la fille d'un riche fabricant de coton et avait un passé quaker, mais n'était pas quaker.
Quand Sanger avait environ cinq ans, la famille a déménagé dans le petit village de Tanworth-in-Arden dans le Warwickshire. La famille était raisonnablement aisée et employait une gouvernante pour enseigner aux enfants. En 1927, à l'âge de neuf ans, il a été envoyé à la Downs School, une école préparatoire résidentielle dirigée par des quakers près de Malvern. Son frère Theo était un an avant lui à la même école. En 1932, à l'âge de 14 ans, il a été envoyé à la Bryanston School récemment établie dans le Dorset. Cette école utilisait le système Dalton et avait un régime plus libéral que Sanger préférait beaucoup. À l'école, il aimait ses professeurs et a particulièrement apprécié les matières scientifiques. Capable de terminer son School Certificate un an plus tôt, pour lequel il a reçu sept crédits, Sanger a pu passer la plupart de sa dernière année d'école à faire des expériences en laboratoire aux côtés de son professeur de chimie, Geoffrey Ordish, qui avait à l'origine étudié à Cambridge University et été chercheur au Cavendish Laboratory. Travailler avec Ordish était un changement agréable par rapport aux études dans des livres et a éveillé le désir de Sanger de poursuivre une carrière scientifique.
En 1936, Sanger est allé au St John's College, Cambridge pour étudier les sciences naturelles. Son père avait fréquenté le même collège. Pour la partie I de son Tripos, il a suivi des cours de physique, chimie, biochimie et mathématiques mais a eu des difficultés avec la physique et les mathématiques. De nombreux autres étudiants avaient étudié plus de mathématiques à l'école. En deuxième année, il a remplacé la physique par la physiologie. Il a fallu trois ans pour obtenir sa partie I. Pour sa partie II, il a étudié la biochimie et a obtenu une 1ère classe mention bien. La biochimie était un département relativement nouveau fondé par Gowland Hopkins avec des conférenciers enthousiastes qui comprenaient Malcolm Dixon, Joseph Needham et Ernest Baldwin.
Ses deux parents sont décédés du cancer pendant ses deux premières années à Cambridge. Son père avait 60 ans et sa mère 58 ans. En tant qu'étudiant, les convictions de Sanger ont été fortement influencées par son éducation quaker. Il était pacifiste et membre du Peace Pledge Union. C'est par son implication dans le Cambridge Scientists Anti-War Group qu'il a rencontré sa future femme, Joan Howe, qui étudiait l'économie au Newnham College. Ils ont fréquenté pendant qu'il étudiait pour ses examens de partie II et se sont mariés après sa graduation en décembre 1940. Sanger, bien qu'élevé et influencé par son éducation religieuse, a commencé plus tard à perdre de vue ses façons liées aux quakers. Il a commencé à voir le monde à travers une lentille plus scientifique, et avec la croissance de sa recherche et développement scientifique, il s'est lentement éloigné de la foi avec laquelle il a grandi. Il n'a que du respect pour la religion et déclare avoir tiré deux choses de celle-ci, la vérité et le respect pour toute vie. En vertu du Military Training Act 1939, il s'est provisoirement inscrit comme objecteur de conscience, et à nouveau en vertu de la National Service Armed Forces Act 1939, avant de se voir accorder une exemption inconditionnelle du service militaire par un tribunal. Entretemps, il a suivi une formation en travail de secours social au centre quaker, Spicelands, Devon et a brièvement servi comme aide-soignant.
Sanger a commencé à étudier pour un doctorat en octobre 1940 sous N.W. « Bill » Pirie. Son projet était d'enquêter sur la possibilité d'obtenir des protéines comestibles à partir de l'herbe. Après un peu plus d'un mois, Pirie a quitté le département et Albert Neuberger est devenu son conseiller. Sanger a changé son projet de recherche pour étudier le métabolisme de la lysine et un problème plus pratique concernant l'azote des pommes de terre. Sa thèse avait pour titre, « The metabolism of the amino acid lysine in the animal body ». Il a été examiné par Charles Harington et Albert Charles Chibnall et a reçu son doctorat en 1943.
Recherche et carrière
Séquençage de l'insuline
Neuberger a déménagé au National Institute for Medical Research à Londres, mais Sanger est resté à Cambridge et en 1943 a rejoint le groupe de Charles Chibnall, un chimiste des protéines qui avait récemment occupé la chaire du Département de biochimie. Chibnall avait déjà fait des travaux sur la composition en acides aminés de l'insuline bovine et a suggéré à Sanger de regarder les groupes amino dans la protéine. L'insuline pouvait être achetée à la pharmacie Boots et était l'une des très rares protéines disponibles sous une forme pure. Jusqu'à ce moment, Sanger s'était autofinancé. Dans le groupe de Chibnall, il a d'abord été soutenu par le Medical Research Council et ensuite de 1944 à 1951 par une Beit Memorial Fellowship for Medical Research.
Le premier triomphe de Sanger a été de déterminer la séquence complète d'acides aminés des deux chaînes polypeptidiques de l'insuline bovine, A et B, respectivement en 1952 et 1951. Avant cela, il était largement supposé que les protéines étaient quelque peu amorphes. En déterminant ces séquences, Sanger a prouvé que les protéines ont une composition chimique définie.
Pour en arriver à ce point, Sanger a affiné une méthode de chromatographie de partage développée d'abord par Richard Laurence Millington Synge et Archer John Porter Martin pour déterminer la composition des acides aminés dans la laine. Sanger a utilisé un réactif chimique 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène désormais aussi connu sous le nom de réactif de Sanger, fluorodinitrobenzène, FDNB ou DNFB, provenant de la recherche sur les gaz toxiques par Bernhard Charles Saunders au Département de chimie de Cambridge University. Le réactif de Sanger s'est avéré efficace pour étiqueter le groupe amino N-terminal à une extrémité de la chaîne polypeptidique. Il a ensuite partiellement hydrolysé l'insuline en courts peptides, soit avec de l'acide chlorhydrique, soit en utilisant une enzyme comme la trypsine. Le mélange de peptides a été fractionné en deux dimensions sur une feuille de papier filtre, d'abord par électrophorèse dans une dimension et ensuite, perpendiculaire à cela, par chromatographie dans l'autre. Les différents fragments peptidiques de l'insuline, détectés avec la ninhydrine, se sont déplacés vers différentes positions sur le papier, créant un motif distinct que Sanger appelait « empreintes digitales ». Le peptide du N-terminus pouvait être reconnu par la couleur jaune conférée par l'étiquette FDNB et l'identité de l'acide aminé étiqueté à l'extrémité du peptide déterminée par l'hydrolyse acide complète et la découverte de quel acide aminé dinitrophényl était présent.
En répétant ce type de procédure, Sanger a pu déterminer les séquences de nombreux peptides générés en utilisant différentes méthodes pour l'hydrolyse partielle initiale. Ceux-ci pourraient alors être assemblés dans les séquences plus longues pour déduire la structure complète de l'insuline. Enfin, parce que les chaînes A et B sont physiologiquement inactives sans les trois liaisons disulfure de liaison deux inter-chaînes, une intra-chaîne sur A, Sanger et ses collaborateurs ont déterminé leurs affectations en 1955. La conclusion principale de Sanger était que les deux chaînes polypeptidiques de la protéine insuline avaient des séquences d'acides aminés précises et, par extension, que chaque protéine avait une séquence unique. C'est cette réussite qui lui a valu son premier prix Nobel de chimie en 1958. Cette découverte a été cruciale pour l'hypothèse de séquence ultérieure de Crick pour développer des idées sur la façon dont l'ADN code les protéines.
Séquençage de l'ARN
À partir de 1951, Sanger était membre du personnel externe du Medical Research Council et quand ils ont ouvert le Laboratory of Molecular Biology en 1962, il a déménagé de ses laboratoires du Département de biochimie de l'université au dernier étage du nouveau bâtiment. Il est devenu chef de la division de chimie des protéines.
Avant son déménagement, Sanger a commencé à explorer la possibilité de séquencer des molécules d'ARN et a commencé à développer des méthodes pour séparer les fragments ribonucléotidiques générés avec des nucléases spécifiques. Ce travail qu'il a effectué tout en essayant d'affiner les techniques de séquençage qu'il avait développées au cours de son travail sur l'insuline.
Le défi clé du travail était de trouver un morceau pur d'ARN à séquencer. Au cours du travail, il a découvert en 1964, avec Kjeld Marcker, l'ARNt formylméthionine qui initie la synthèse des protéines chez les bactéries. Il a été surpassé dans la course pour être le premier à séquencer une molécule d'ARNt par un groupe dirigé par Robert Holley de Cornell University, qui a publié la séquence des 77 ribonucléotides de l'ARNt alanine de Saccharomyces cerevisiae en 1965. En 1967, le groupe de Sanger avait déterminé la séquence nucléotidique de l'ARN ribosomique 5S d'Escherichia coli, un petit ARN de 120 nucléotides.
Séquençage de l'ADN
Sanger s'est ensuite tourné vers le séquençage de l'ADN, ce qui nécessiterait une approche entièrement différente. Il a examiné différentes façons d'utiliser l'ADN polymérase I d'E. coli pour copier l'ADN simple brin. En 1975, avec Alan Coulson, il a publié une procédure de séquençage utilisant l'ADN polymérase avec des nucléotides marqués radioactivement qu'il appelait la technique « Plus et Moins ». Cela impliquait deux méthodes étroitement liées qui généraient de courts oligonucléotides avec des terminaisons 3' définies. Ceux-ci pourraient être fractionnés par électrophorèse sur un gel de polyacrylamide et visualisés par autoradiographie. La procédure pouvait séquencer jusqu'à 80 nucléotides en une seule fois et était une grande amélioration par rapport à ce qui s'était passé avant, mais était toujours très laborieuse. Néanmoins, son groupe a pu séquencer la plupart des 5 386 nucléotides du bactériophage monocaténaire φX174. C'était le premier génome basé sur l'ADN complètement séquencé. À leur surprise, ils ont découvert que les régions codantes de certains gènes se chevauchaient les unes les autres.
En 1977, Sanger et ses collègues ont introduit la méthode de terminaison de chaîne « didésoxy » pour le séquençage de molécules d'ADN, également connue sous le nom de « méthode de Sanger ». C'était une percée majeure et a permis de séquencer rapidement et précisément de longs fragments d'ADN. Cela lui a valu son deuxième prix Nobel de chimie en 1980, qu'il a partagé avec Walter Gilbert et Paul Berg. La nouvelle méthode a été utilisée par Sanger et ses collègues pour séquencer l'ADN mitochondrial humain de 16 569 paires de bases et le bactériophage λ de 48 502 paires de bases. La méthode didésoxy a finalement été utilisée pour séquencer l'ensemble du génome humain.
Étudiants de troisième cycle
Au cours de sa carrière, Sanger a supervisé plus de dix étudiants en doctorat, dont deux ont également remporté des prix Nobel. Son premier étudiant diplômé était Rodney Porter qui a rejoint le groupe de recherche en 1947. Porter a partagé le prix Nobel de physiologie ou médecine de 1972 avec Gerald Edelman pour ses travaux sur la structure chimique des anticorps. Elizabeth Blackburn a étudié pour un doctorat dans le laboratoire de Sanger entre 1971 et 1974. Elle a partagé le prix Nobel de physiologie ou médecine 2009 avec Carol W. Greider et Jack W. Szostak pour ses travaux sur les télomères et l'action de la télomérase.
Prix et distinctions
Depuis 2015, Sanger est la seule personne à avoir reçu le prix Nobel de chimie deux fois, et l'un des quatre seuls lauréats du prix Nobel à deux reprises : Les trois autres étaient Marie Curie Physique, 1903 et Chimie, 1911, Linus Pauling Chimie, 1954 et Paix, 1962 et John Bardeen deux fois Physique, 1956 et 1972.
- Élu Fellow of the Royal Society FRS en 1954
- Commandeur de l'ordre de l'Empire britannique – 1963
- Ordre des Companions of Honour – 1981
- Ordre du Mérite – 1986
- Fellow correspondant de l'Australian Academy of Science – 1982
- William Bate Hardy Prize – 1976
- Prix Nobel de chimie – 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 of Columbia University – 1979
- Albert Lasker Award for Basic Medical Research – 1979
- Association of Biomolecular Resource Facilities Award – 1994
- Golden Plate Award of the American Academy of Achievement - 2000
- Citation for Chemical Breakthrough Award from the Division of History of Chemistry of the American Chemical Society – 2016
Le Wellcome Trust Sanger Institute anciennement le Sanger Centre est nommé en son honneur.
