Il nostro compito ora è risintesizzare la biologia; rimettere l'organismo nel suo ambiente; ricollegarlo al suo passato evolutivo; e permettere a noi di sentire quel flusso complesso che è l'organismo, l'evoluzione e l'ambiente uniti. È arrivato il momento per la biologia di entrare nel mondo non lineare.
Carl Richard Woese era un microbiologo e biofisico americano. Woese è famoso per aver definito gli Archaea un nuovo dominio della vita nel 1977 attraverso la tassonomia filogenetica dell'RNA ribosomiale 16S, una tecnica che ha sviluppato e che ha rivoluzionato la microbiologia. Ha anche originato l'ipotesi del mondo RNA nel 1967, sebbene non con quel nome. Woese ha ricoperto la cattedra Stanley O. Ikenberry ed è stato professore di microbiologia presso l'Università dell'Illinois a Urbana–Champaign.
Vita e istruzione
Carl Woese è nato a Syracuse, New York il 15 luglio 1928. Woese ha frequentato la Deerfield Academy nel Massachusetts. Ha ricevuto una laurea in matematica e fisica dal Amherst College nel 1950. Durante il suo periodo ad Amherst, Woese ha seguito solo un corso di biologia Biochimica, nel suo ultimo anno e non aveva "alcun interesse scientifico per le piante e gli animali" fino a quando William M. Fairbank, allora assistente professore di fisica ad Amherst, lo ha consigliato di perseguire la biofisica a Yale.
Nel 1953, ha completato un dottorato in biofisica presso l'Università Yale, dove la sua ricerca di dottorato si è concentrata sull'inattivazione dei virus mediante calore e radiazioni ionizzanti. Ha studiato medicina presso l'Università di Rochester per due anni, abbandonando due giorni dopo l'inizio di una rotazione in pediatria. Successivamente è diventato un ricercatore postdottorale in biofisica presso l'Università Yale investigando le spore batteriche. Dal 1960–63, ha lavorato come biofisico presso il General Electric Research Laboratory a Schenectady, New York. Nel 1964, Woese si è unito alla facoltà di microbiologia dell'Università dell'Illinois a Urbana–Champaign, dove ha focalizzato su Archaea, genomica e evoluzione molecolare come sue aree di competenza. È diventato professore presso il Carl R. Woese Institute for Genomic Biology dell'Università dell'Illinois a Urbana–Champaign, che è stato rinominato in suo onore nel 2015, dopo la sua morte.
Woese è morto il 30 dicembre 2012, a seguito di complicazioni dovute al cancro del pancreas.
Lavoro e scoperte
Primo lavoro sul codice genetico
Woese ha rivolto la sua attenzione al codice genetico mentre stava allestendo il suo laboratorio presso il Knolls Laboratory di General Electric nell'autunno del 1960. L'interesse tra i fisici e i biologi molecolari aveva iniziato a coagularsi intorno al decifrare la corrispondenza tra i venti amminoacidi e l'alfabeto di quattro lettere delle basi degli acidi nucleici nel decennio seguente la scoperta della struttura del DNA da parte di James D. Watson, Francis Crick e Rosalind Franklin nel 1953. Woese ha pubblicato una serie di articoli sull'argomento. In uno, ha dedotto una tabella di corrispondenza tra quello che allora era noto come "RNA solubile" e DNA in base ai loro rispettivi rapporti di coppie di basi. Ha poi rivalutato i dati sperimentali associati all'ipotesi che i virus usassero una base, piuttosto che una tripletta, per codificare ogni amminoacido, e ha suggerito 18 codoni, prevedendo correttamente uno per la prolina. Un altro lavoro ha stabilito la base meccanicistica della traduzione proteica, ma secondo la visione di Woese, ha ampiamente trascurato le origini evolutive del codice genetico come afterthought.
Nel 1962 Woese ha trascorso diversi mesi come ricercatore visitatore presso l'Istituto Pasteur a Parigi, un centro di intensa attività sulla biologia molecolare dell'espressione genica e della regolazione genica. Mentre era a Parigi, ha incontrato Sol Spiegelman, che ha invitato Woese a visitare l'Università dell'Illinois dopo aver sentito i suoi obiettivi di ricerca; in questa visita Spiegelman ha offerto a Woese una posizione con tenure immediato a partire dall'autunno del 1964. Con la libertà di perseguire pazientemente fili di indagine più speculativi al di fuori del mainstream della ricerca biologica, Woese ha iniziato a considerare il codice genetico in termini evolutivi, chiedendosi come i compiti dei codoni e la loro traduzione in una sequenza di amminoacidi potessero essersi evoluti.
Scoperta del terzo dominio
Per gran parte del XX secolo, i procarioti erano considerati un singolo gruppo di organismi e classificati in base alla loro biochimica, morfologia e metabolismo. In un articolo molto influente del 1962, Roger Stanier e C. B. van Niel hanno stabilito per la prima volta la divisione dell'organizzazione cellulare in procarioti ed eucarioti, definendo i procarioti come quegli organismi privi di nucleo cellulare. Adattato dalla generalizzazione di Édouard Chatton, il concetto di Stanier e Van Niel è stato rapidamente accettato come la distinzione più importante tra gli organismi; tuttavia erano comunque scettici sui tentativi dei microbiologi di costruire una classificazione filogenetica naturale dei batteri. Tuttavia, era diventato generalmente assunto che tutta la vita condividesse un antenato procariotico comune implicato dalla radice greca πρό pro-, prima, davanti a.
Nel 1977, Carl Woese e George E. Fox hanno sperimentalmente confutato questa ipotesi universalmente accettata sulla struttura di base dell'albero della vita. Woese e Fox hanno scoperto un tipo di vita microbica che hanno chiamato gli "archaebatteri" Archaea. Hanno riferito che gli archaebatteri costituivano "un terzo regno" della vita tanto distinto dai batteri quanto le piante e gli animali. Avendo definito gli Archaea come un nuovo "urkingdom" successivamente dominio che non erano né batteri né eucarioti, Woese ha ridisegnato l'albero tassonomico. Il suo sistema a tre domini, basato su relazioni filogenetiche piuttosto che su evidenti somiglianze morfologiche, ha diviso la vita in 23 divisioni principali, incorporate all'interno di tre domini: Bacteria, Archaea e Eucarya.
L'accettazione della validità della classificazione filogeneticamente valida di Woese è stata un processo lento. Biologi illustri tra cui Salvador Luria e Ernst Mayr si sono opposti alla sua divisione dei procarioti. Non tutte le critiche a lui erano limitate al livello scientifico. Un decennio di faticosi cataloghi di oligonucleotidi lo ha lasciato con una reputazione di "eccentrico", e Woese sarebbe stato successivamente definito come "Microbiology's Scarred Revolutionary" da un articolo di notizie pubblicato sulla rivista Science. Il crescente corpo di dati a sostegno ha portato la comunità scientifica ad accettare gli Archaea entro la metà degli anni 1980. Oggi, pochi scienziati si attaccano all'idea di un Prokarya unificato.
Il lavoro di Woese su Archaea è anche significativo per le sue implicazioni nella ricerca della vita su altri pianeti. Prima della scoperta di Woese e Fox, gli scienziati pensavano che gli Archaea fossero organismi estremi evoluti dai microrganismi più familiari a noi. Ora, la maggior parte crede che siano antichi e potrebbero avere forti connessioni evolutive ai primi organismi sulla Terra. Organismi simili a quegli archaea che esistono in ambienti estremi potrebbero essersi sviluppati su altri pianeti, alcuni dei quali ospitano condizioni favorevoli alla vita degli estremofili.
Notevolmente, l'elucidazione dell'albero della vita da parte di Woese mostra la straordinaria diversità delle linee microbiche: gli organismi unicellulari rappresentano la stragrande maggioranza della diversità genetica, metabolica e ecologica della biosfera. Poiché i microbi sono cruciali per molti cicli biogeochimici e per il funzionamento continuo della biosfera, gli sforzi di Woese per chiarire l'evoluzione e la diversità dei microbi hanno fornito un servizio inestimabile agli ecologi e ai conservazionisti. È stato un contributo importante alla teoria dell'evoluzione e alla nostra conoscenza della storia della vita.
Evoluzione dei tipi di cellule primarie
Woese ha anche speculato su un'era di rapida evoluzione in cui considerevole trasferimento orizzontale di geni si è verificato tra gli organismi. Descritti per la prima volta da Woese e Fox in un articolo del 1977, questi organismi, o progenoti, erano immaginati come protocellule con complessità molto bassa a causa del loro apparato di traduzione soggetto a errori "canale di trasmissione genetica rumoroso", che produceva alti tassi di mutazione che limitavano la specificità dell'interazione cellulare e la dimensione del genoma. Questo primo apparato di traduzione avrebbe prodotto un gruppo di proteine strutturalmente simili, funzionalmente equivalenti, piuttosto che una singola proteina. Inoltre, a causa di questa specificità ridotta, tutti i componenti cellulari erano suscettibili al trasferimento orizzontale di geni, e l'evoluzione rapida si è verificata a livello dell'ecosistema.
La transizione alle cellule moderne la "Soglia Darwiniana" si è verificata quando gli organismi hanno evoluto meccanismi di traduzione con livelli moderni di fedeltà: le prestazioni migliorate hanno permesso all'organizzazione cellulare di raggiungere un livello di complessità e connessione che ha reso i geni di altri organismi molto meno in grado di spostare i geni di un individuo.
Negli anni successivi, il lavoro di Woese si è concentrato sull'analisi genomica per illustrare il significato del trasferimento orizzontale di geni HGT per l'evoluzione. Ha lavorato su analisi dettagliate delle filogenesi delle aminoacil-tRNA sintetasi e sull'effetto del trasferimento orizzontale di geni sulla distribuzione di questi enzimi chiave tra gli organismi. L'obiettivo della ricerca era spiegare come i tipi di cellule primari gli archaeali, eubatterici ed eucarioti si sono evoluti da uno stato ancestrale nel mondo RNA.
Prospettive sulla biologia
Woese ha condiviso i suoi pensieri sul passato, presente e futuro della biologia in Current Biology:
Le "domande importanti" che la biologia del XXI secolo affronta derivano tutte da una singola domanda, la natura e la generazione dell'organizzazione biologica. . . . Sì, Darwin è tornato, ma in compagnia di . . . scienziati che possono vedere molto più profondamente nelle profondità della biologia di quanto fosse possibile in precedenza. Non è più una vista della "10.000 specie di uccelli" dell'evoluzione — l'evoluzione vista come una processione di forme. La preoccupazione è ora con il processo dell'evoluzione stesso.
Vedo la questione dell'organizzazione biologica assumere due direzioni prominenti oggi. La prima è l'evoluzione dell'organizzazione cellulare (proteica), che include sottodomandf come l'evoluzione dell'apparato di traduzione e del codice genetico, e l'origine e la natura delle gerarchie di controllo che regolano finemente e collegano con precisione la panoply dei processi cellulari che costituiscono le cellule. Include anche la questione del numero di diversi tipi di cellule basiche che esistono sulla terra oggi: tutti i moderni cellule provenivano da un'unica organizzazione cellulare ancestrale?
La seconda direzione principale coinvolge la natura dell'ecosistema globale. . . . I batteri sono gli organismi principali su questo pianeta — in numeri, in massa totale, in importanza per gli equilibri globali. Quindi, è l'ecologia microbica che . . . è più bisognosa di sviluppo, sia in termini di fatti necessari per comprenderla, sia in termini di quadro in cui interpretarli.
Woese ha considerato la biologia come avente un ruolo "di importanza fondamentale" nella società. Secondo la sua visione, la biologia dovrebbe servire uno scopo più ampio rispetto al perseguimento di "un ambiente progettato":
Quello che è stato formalmente riconosciuto in fisica deve ora essere riconosciuto in biologia: la scienza serve una doppia funzione. Da un lato è il servitore della società, affrontando i problemi applicati posti dalla società. D'altra parte, funziona come insegnante della società, aiutando quest'ultima a comprendere il suo mondo e se stesso. È quest'ultima funzione che manca effettivamente oggi.
Onori e eredità scientifica
Woese era un MacArthur Fellow nel 1984, è stato nominato membro della National Academy of Sciences nel 1988, ha ricevuto la Medaglia Leeuwenhoek il massimo onore della microbiologia nel 1992, il Selman A. Waksman Award in Microbiology nel 1995 dalla National Academy of Sciences, ed è stato un destinatario della National Medal of Science nel 2000. Nel 2003, ha ricevuto il Crafoord Prize dalla Royal Swedish Academy of Sciences "per la sua scoperta di un terzo dominio della vita". Nel 2006, è stato nominato membro straniero della Royal Society.
Molte specie microbiche, come Pyrococcus woesei, Methanobrevibacter woesei e Conexibacter woesei, sono nominate in suo onore.
Il microbiologo Justin Sonnenburg di Stanford University ha detto "L'articolo del 1977 è uno dei più influenti in microbiologia e probabilmente, in tutta la biologia. Si colloca insieme alle opere di Watson e Crick e Darwin, fornendo un quadro evolutivo per l'incredibile diversità del mondo microbico".
Per quanto riguarda il lavoro di Woese sul trasferimento orizzontale di geni come processo evolutivo primario, il professor Norman R. Pace dell'Università del Colorado a Boulder ha detto, "Penso che Woese abbia fatto più per la biologia nel suo complesso di qualsiasi biologo nella storia, incluso Darwin... C'è molto più da imparare, e ha interpretato brillantemente la storia emergente".
Pubblicazioni selezionate
Libri
- Woese, Carl 1967. The Genetic Code: the Molecular Basis for Genetic Expression. New York: Harper & Row. OCLC 293697.
Articoli selezionati
- Woese, Carl R.; George E. Fox 1977. "Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 74 11: 5088–5090. Bibcode:1977PNAS...74.5088W. doi:10.1073/pnas.74.11.5088. ISSN 0027-8424. PMC 432104. PMID 270744.
- Woese, Carl R. June 1, 1987. "Bacterial evolution". Microbiological Reviews. 51 2: 221–271. doi:10.1128/MMBR.51.2.221-271.1987. PMC 373105. PMID 2439888.
- Woese, Carl R.; O Kandler; M L Wheelis 1990. "Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 12: 4576–4579. Bibcode:1990PNAS...87.4576W. doi:10.1073/pnas.87.12.4576. ISSN 0027-8424. PMC 54159. PMID 2112744.
- Woese,
