La ricerca scientifica è una delle occupazioni più affascinanti e gratificanti.
Frederick Sanger era un biochimico britannico che ha vinto il Premio Nobel per la Chimica due volte, uno dei soli due a averlo fatto nella stessa categoria l'altro è John Bardeen in Fisica, la quarta persona complessivamente con due Premi Nobel, e la terza persona complessivamente con due Premi Nobel nelle scienze. Nel 1958, gli è stato assegnato un Premio Nobel per la Chimica "per il suo lavoro sulla struttura delle proteine, in particolare quella dell'insulina". Nel 1980, Walter Gilbert e Sanger hanno condiviso metà del premio di chimica "per i loro contributi riguardanti la determinazione delle sequenze di basi negli acidi nucleici". L'altra metà è stata assegnata a Paul Berg "per i suoi studi fondamentali sulla biochimica degli acidi nucleici, con particolare riguardo al DNA ricombinante".
Primi anni e educazione
Frederick Sanger è nato il 13 agosto 1918 a Rendcomb, un piccolo villaggio nel Gloucestershire, in Inghilterra, il secondo figlio di Frederick Sanger, un medico generico, e sua moglie, Cicely Sanger nata Crewdson. Era uno di tre figli. Suo fratello, Theodore, era solo un anno più grande, mentre sua sorella May Mary aveva cinque anni di differenza. Suo padre aveva lavorato come missionario medico anglicano in Cina ma era tornato in Inghilterra a causa di cattive condizioni di salute. Aveva 40 anni nel 1916 quando sposò Cicely che era quattro anni più giovane. Il padre di Sanger si convertì al Quakerismo poco dopo la nascita dei suoi due figli e allevò i bambini come Quaccheri. La madre di Sanger era la figlia di un ricco produttore tessile di cotone e aveva origini Quaccheri, ma non era una Quacchera.
Quando Sanger aveva circa cinque anni, la famiglia si trasferì nel piccolo villaggio di Tanworth-in-Arden nel Warwickshire. La famiglia era ragionevolmente ricca e aveva una governante per insegnare ai bambini. Nel 1927, all'età di nove anni, è stato mandato alla Downs School, una scuola preparatoria residenziale diretta da Quaccheri vicino a Malvern. Suo fratello Theo era un anno avanti a lui nella stessa scuola. Nel 1932, all'età di 14 anni, è stato mandato alla Bryanston School appena fondata nel Dorset. Questa utilizzava il sistema Dalton e aveva un regime più liberale che Sanger molto preferiva. A scuola piacevano i suoi insegnanti e ha particolarmente goduto i soggetti scientifici. Riuscendo a completare il suo Certificato di Scuola un anno prima, per il quale gli sono stati assegnati sette crediti, Sanger è stato in grado di trascorrere la maggior parte del suo ultimo anno di scuola sperimentando in laboratorio insieme al suo maestro di chimica, Geoffrey Ordish, che aveva originariamente studiato all'Università di Cambridge ed era stato un ricercatore nel Laboratorio Cavendish. Lavorare con Ordish è stato un cambiamento rinfrescante rispetto a stare seduti e studiare libri e ha risvegliato il desiderio di Sanger di perseguire una carriera scientifica.
Nel 1936 Sanger andò al St John's College di Cambridge per studiare scienze naturali. Suo padre aveva frequentato lo stesso collegio. Per la Parte I del suo Tripos ha frequentato corsi di fisica, chimica, biochimica e matematica ma ha avuto difficoltà con la fisica e la matematica. Molti degli altri studenti avevano studiato più matematica a scuola. Nel suo secondo anno ha sostituito la fisica con la fisiologia. Ha impiegato tre anni per ottenere la sua Parte I. Per la sua Parte II ha studiato biochimica e ha ottenuto un 1º Onore di Classe. La biochimica era un dipartimento relativamente nuovo fondato da Gowland Hopkins con docenti entusiasti che includevano Malcolm Dixon, Joseph Needham ed Ernest Baldwin.
Entrambi i suoi genitori morirono di cancro durante i suoi primi due anni a Cambridge. Suo padre aveva 60 anni e sua madre 58. Da studente, le credenze di Sanger sono state fortemente influenzate dalla sua educazione Quacchera. Era pacifista e membro della Peace Pledge Union. È stato attraverso il suo coinvolgimento nel Cambridge Scientists Anti-War Group che ha incontrato sua futura moglie, Joan Howe, che studiava economia al Newnham College. Hanno corteggiato mentre lui stava studiando per gli esami della Parte II e si sono sposati dopo la sua laurea nel dicembre 1940. Sanger, sebbene allevato e influenzato dalla sua educazione religiosa, in seguito iniziò a perdere di vista i suoi modi legati ai Quaccheri. Ha iniziato a vedere il mondo attraverso una lente più scientifica, e con la crescita della sua ricerca e dello sviluppo scientifico si è lentamente allontanato dalla fede in cui è cresciuto. Non ha che rispetto per i religiosi e afferma di aver preso due cose da essa, la verità e il rispetto per tutta la vita. Secondo il Military Training Act del 1939 è stato provvisoriamente registrato come obiettore di coscienza, e di nuovo secondo il National Service Armed Forces Act del 1939, prima di ricevere l'esenzione incondizionata dal servizio militare da parte di un tribunale. Nel frattempo ha intrapreso una formazione nel lavoro di soccorso sociale presso il centro Quacchero, Spicelands, Devon e ha prestato servizio brevemente come aiutante ospedaliero.
Sanger ha iniziato a studiare per un dottorato nel ottobre 1940 sotto N.W. "Bill" Pirie. Il suo progetto era investigare se potesse essere ottenuta una proteina commestibile dall'erba. Dopo poco più di un mese Pirie ha lasciato il dipartimento e Albert Neuberger è diventato il suo consulente. Sanger ha cambiato il suo progetto di ricerca per studiare il metabolismo della lisina e un problema più pratico riguardante l'azoto delle patate. La sua tesi aveva il titolo, "Il metabolismo dell'aminoacido lisina nel corpo animale". È stato esaminato da Charles Harington e Albert Charles Chibnall e gli è stato assegnato il dottorato nel 1943.
Ricerca e carriera
Sequenziamento dell'insulina
Neuberger si trasferì al National Institute for Medical Research a Londra, ma Sanger rimase a Cambridge e nel 1943 si unì al gruppo di Charles Chibnall, un chimico proteico che aveva recentemente assunto l'incarico nel Dipartimento di Biochimica. Chibnall aveva già fatto alcuni lavori sulla composizione di aminoacidi dell'insulina bovina e suggerì a Sanger di guardare i gruppi amminici nella proteina. L'insulina poteva essere acquistata dalla catena di farmacie Boots ed era una delle poche proteine che erano disponibili in forma pura. Fino a questo momento Sanger si era auto-finanziato. Nel gruppo di Chibnall è stato inizialmente supportato dal Medical Research Council e poi dal 1944 al 1951 da una Beit Memorial Fellowship for Medical Research.
Il primo trionfo di Sanger è stato determinare la sequenza completa di aminoacidi delle due catene polipeptidiche dell'insulina bovina, A e B, rispettivamente nel 1952 e nel 1951. Prima di ciò si presumeva ampiamente che le proteine fossero alquanto amorfe. Nel determinare queste sequenze, Sanger ha provato che le proteine hanno una composizione chimica definita.
Per arrivare a questo punto, Sanger ha perfezionato un metodo di cromatografia di partizione sviluppato per la prima volta da Richard Laurence Millington Synge e Archer John Porter Martin per determinare la composizione degli aminoacidi nella lana. Sanger ha utilizzato un reagente chimico 1-fluoro-2,4-dinitrobenzene ora, noto anche come reagente di Sanger, fluorodinitrobenzene, FDNB o DNFB, proveniente da ricerche su gas velenosi di Bernhard Charles Saunders presso il Dipartimento di Chimica dell'Università di Cambridge. Il reagente di Sanger si è rivelato efficace nell'etichettare il gruppo amminico N-terminale a un'estremità della catena polipeptidica. Ha quindi parzialmente idrolizzato l'insulina in brevi peptidi, usando acido cloridrico o utilizzando un enzima come la tripsina. La miscela di peptidi è stata frazionata in due dimensioni su un foglio di carta da filtro, prima mediante elettroforesi in una dimensione e poi, perpendicolare a quella, mediante cromatografia nell'altra. I diversi frammenti peptidici dell'insulina, rilevati con nidrina, si sono spostati in posizioni diverse sulla carta, creando uno schema distinto che Sanger ha chiamato "impronte digitali". Il peptide dall'N-terminus potrebbe essere riconosciuto dal colore giallo conferito dall'etichetta FDNB e l'identità dell'aminoacido etichettato alla fine del peptide determinata mediante idrolisi acida completa e scoprendo quale aminoacido dinitrofenile era presente.
Ripetendo questo tipo di procedura Sanger è stato in grado di determinare le sequenze dei molti peptidi generati utilizzando diversi metodi per l'idrolisi parziale iniziale. Questi potevano quindi essere assemblati nelle sequenze più lunghe per dedurre la struttura completa dell'insulina. Infine, poiché le catene A e B sono fisiologicamente inattive senza i tre legami disolfuro di collegamento due interchain, uno intrachain su A, Sanger e i colleghi hanno determinato le loro assegnazioni nel 1955. La conclusione principale di Sanger era che le due catene polipeptidiche della proteina insulina avevano precise sequenze di aminoacidi e, per estensione, che ogni proteina aveva una sequenza unica. È questo risultato che gli ha fatto guadagnare il suo primo premio Nobel per la Chimica nel 1958. Questa scoperta è stata cruciale per l'ipotesi di sequenza successiva di Crick per lo sviluppo di idee su come il DNA codifica le proteine.
Sequenziamento dell'RNA
Dal 1951 Sanger era un membro dello staff esterno del Medical Research Council e quando hanno aperto il Laboratory of Molecular Biology nel 1962, si è trasferito dai suoi laboratori nel Dipartimento di Biochimica dell'università al piano superiore del nuovo edificio. È diventato capo della divisione di Chimica delle Proteine.
Prima del suo trasferimento, Sanger ha iniziato a esplorare la possibilità di sequenziare molecole di RNA e ha iniziato a sviluppare metodi per separare frammenti di ribonucleotide generati con nucleasi specifiche. Questo lavoro lo ha fatto mentre cercava di perfezionare le tecniche di sequenziamento che aveva sviluppato durante il suo lavoro sull'insulina.
La sfida chiave nel lavoro era trovare un pezzo puro di RNA da sequenziare. Nel corso del lavoro ha scoperto nel 1964, con Kjeld Marcker, il tRNA formilmetionina che inizia la sintesi proteica nei batteri. È stato battuto nella gara per essere il primo a sequenziare una molecola di tRNA da un gruppo guidato da Robert Holley dall'Università di Cornell, che ha pubblicato la sequenza dei 77 ribonucleotidi del tRNA dell'alanina da Saccharomyces cerevisiae nel 1965. Entro il 1967 il gruppo di Sanger aveva determinato la sequenza di nucleotidi del tRNA dell'RNA ribosomiale 5S da Escherichia coli, un piccolo RNA di 120 nucleotidi.
Sequenziamento del DNA
Sanger si è quindi rivolto al sequenziamento del DNA, il quale richiederebbe un approccio completamente diverso. Ha esaminato diversi modi di utilizzare la DNA polimerasi I da E. coli per copiare il DNA a singolo filamento. Nel 1975, insieme ad Alan Coulson, ha pubblicato una procedura di sequenziamento usando la DNA polimerasi con nucleotidi radiomarcati che ha chiamato la tecnica "Plus e Minus". Ciò comportava due metodi strettamente correlati che generavano brevi oligonucleotidi con terminali 3' definiti. Questi potevano essere frazionati mediante elettroforesi su gel di poliacrilamide e visualizzati mediante autoradiografia. La procedura potrebbe sequenziare fino a 80 nucleotidi in una sola volta ed era un grande miglioramento rispetto a prima, ma era comunque molto laborioso. Tuttavia, il suo gruppo è stato in grado di sequenziare la maggior parte dei 5.386 nucleotidi del batteriofago a filamento singolo φX174. Questo è stato il primo genoma basato su DNA completamente sequenziato. Con loro sorpresa hanno scoperto che le regioni di codifica di alcuni geni si sovrapponevano l'una con l'altra.
Nel 1977 Sanger e colleghi hanno introdotto il metodo "didesossi" di terminazione della catena per il sequenziamento delle molecole di DNA, noto anche come il "metodo di Sanger". Questo è stato un grande progresso e ha permesso di sequenziare rapidamente e accuratamente lunghi tratti di DNA. Gli ha fatto guadagnare il suo secondo premio Nobel per la Chimica nel 1980, che ha condiviso con Walter Gilbert e Paul Berg. Il nuovo metodo è stato utilizzato da Sanger e colleghi per sequenziare il DNA mitocondriale umano 16.569 coppie di basi e il batteriofago λ 48.502 coppie di basi. Il metodo didesossi è stato infine utilizzato per sequenziare l'intero genoma umano.
Dottorandi
Nel corso della sua carriera Sanger ha supervisionato più di dieci dottorandi, due dei quali hanno continuato a vincere anche i Premi Nobel. Il suo primo studente laureato era Rodney Porter che si è unito al gruppo di ricerca nel 1947. Porter in seguito ha condiviso il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina nel 1972 con Gerald Edelman per il suo lavoro sulla struttura chimica degli anticorpi. Elizabeth Blackburn ha studiato per un dottorato nel laboratorio di Sanger tra il 1971 e il 1974. Ha condiviso il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina nel 2009 con Carol W. Greider e Jack W. Szostak per il suo lavoro sui telomeri e l'azione della telomerasi.
Premi e onori
A partire dal 2015, Sanger è l'unica persona a cui sia stato assegnato il Premio Nobel per la Chimica due volte, e uno dei soli quattro vincitori di due Premi Nobel: Gli altri tre erano Marie Curie Fisica, 1903 e Chimica, 1911, Linus Pauling Chimica, 1954 e Pace, 1962 e John Bardeen due volte Fisica, 1956 e 1972.
- Eletto Fellow della Royal Society FRS nel 1954
- Commendatore dell'Ordine dell'Impero Britannico – 1963
- Ordine dei Compagni d'Onore – 1981
- Ordine al Merito – 1986
- Fellow Corrispondente dell'Accademia Australiana delle Scienze – 1982
- Medaglia William Bate Hardy – 1976
- Premio Nobel per la Chimica – 1958, 1980
- Medaglia Corday–Morgan – 1951
- Medaglia Reale – 1969
- Premio Internazionale della Fondazione Gairdner – 1971
- Medaglia Copley – 1977
- Premio G.W. Wheland – 1978
- Premio Louisa Gross Horwitz dell'Università di Columbia – 1979
- Premio Albert Lasker per la Ricerca Medica di Base – 1979
- Premio dell'Associazione di Strutture di Risorse Biomolecolari – 1994
- Golden Plate Award dell'Accademia Americana dei Risultati - 2000
- Citazione per il Premio della Scoperta Chimica dalla Divisione della Storia della Chimica dell'Associazione Chimica Americana – 2016
Il Wellcome Trust Sanger Institute precedentemente il Sanger Centre è intitolato in suo onore.
