Джон Родни Куэйл (; 18 ноября 1926 — 26 февраля 2006) — британский и .
Основной целью его работ было выяснение путей ассимиляции углерода во время бактериального роста на веществах, содержащих один атом углерода, таких как метан и метанол. В то время было мало известно о таких организмах, как метилотрофы.
Его работы по изучению метаболических путей были основаны на использовании фундаментальных знаний по химии в сочетании с энзимологией и умением работать с соединениями, меченными радиоактивным углеродом 14С.
Молодые годы, образование Джон Родни Куэйл (Род) родился 18 ноября 1926 года в прибрежном городке Hoylake, расположенном на северо-западе Мерсисайда в Англии. Он жил вместе со своим старшим братом, Брайном, в квартире над аптекой отца.
Дед Джона по материнской линии был тоже фармацевтом со своей собственной аптекой около Hoylake. Позднее Джон говорил, что, возможно, раннее знакомство с миром разноцветных жидкостей, мерных цилиндров и химического баланса зародили в нем позже интерес к химии.
В 1931 году родители Джона разошлись, и он со своей матерью и братом переехали к бабушке и деду по линии матери в их дом в небольшой деревне Cilcain. Его отец никак не помогал финансово семье, и поэтому дедушка взял заботу о них на себя, воспользовавшись своими пенсионными сбережениями. Из-за отсутствия отца Джона дразнили в школе, но несмотря на это Cilcain был прекрасным местом для жизни, он мог наслаждаться деревенскими красотами ежедневно.
Джон учился в церковно-приходской школе Англиканской церкви вместе с еще 30 учениками. В возрасте 10 лет он сдал вступительные экзамены в Alun Grammar School в Молде, заняв 3 место по баллам среди 50 поступавших ребят. Многие из его одноклассников были эвакуированы из Мерсисайда во время войны.
В 1943 году он получил диплом об окончании старшей школы от центрального департамента Уэльса с отличием по физике, зачетом по химии и математике, что позволило ему получить стипендию от округа для продолжения обучения в университете.
На тот момент ему ещё не было 17 лет, и его директор вместе с учителем физики, который оказал большое влияние на Джона, посоветовали ему пойти сразу в университет, чтобы, как минимум, окончить первый курс, до того как его заберут в армию.
Поэтому в сентябре 1943 он пошёл в университетский колледж северного Уэльса (University College of North Wales) в Бангоре. Там он вступил в команду по гребле, которой он продолжил заниматься позднее уже в Кембридже, где вступил в профессиональный клуб «Gentlemen’s Rowing Team».
В 1946 году Джон получил степень бакалавра по химии, после чего он остался в Бангоре для получения степени PhD по физической органической химии. В это же время он был награжден стипендией университета Уэльса для аспирантов и назначен ответственным за общежитие в the Hall of Residence.
Его научным руководителем был профессор E. D. Hughes — новатор в области кинетики и механизмов органических реакций. Темой исследовательской работы Джона были «реакции s-трифенилбензола и его пространственно-затрудненных производных». За фундаментальные открытия в этой области его пригласили стать членом общества университета Уэльса, которое убедило профессора, а позже и лорда, Александра Тодда принять Джона в свою лабораторию в университете Кембриджа. В Кембридже Джон изучал структуру и химический синтез пигментов крови тли (Aphididae). Он написал 10 статьей на эту тему, преимущественно в Journal of the Chemical Society.
Там же Джон поступил в St John’s College в качестве студента-исследователя, где получил вторую степень PhD в 1952 году с тезисом «Пигменты из Aphididae». В 1951 году он был награжден премией Senior Research Award от департамента научных и промышленных исследований (DSIR), а потом в этом же году женился на Ивоне Сандерсон, которая тоже была студенткой в Бангоре.
Научные исследования
Ранние работы После Кембриджа Джон поменял область научных исследований на энзимологию и биохимию бактерий.
Он начал исследование бактерий и дрожжей, которые растут за счет использования в качестве энергии вещества, содержащие один атом углерода, такие как метан, метанол и метиламин. Когда Джон только приступал к работе было описано очень мало таких организмов, но было известно, что существуют различные виды бактерий, которые используют разнообразные метаболические пути для получения энергии.
Все живые организмы можно разделить на авто- и гетеротрофов. Автотрофы используют диоксид углерода в качестве единственного источника энергии для роста, в то время как гетеротрофы — органические источники углерода. Метилотрофы — это большая группа гетеротрофов, которые растут за счет восстановленных форм С1 соединений.
В 1953 году Джон получил грант Fulbright Travel Grant для работы с Мелвином Кальвином на химическом факультете Университета Калифорнии в Беркли. Там они изучали первую стадию энзим-каталитического процесса ассимиляции диоксида углерода в растениях.
В лаборатории Кельвина был установлен путь фотосинтеза для ассимиляции оксида углерода в растениях, который теперь известен, как цикл Кальвина-Бенсона.
Джон стал автором публикации, которая до сих пор считается доказательством существования этого цикла. Вместе с коллегами они показали, что растения, в которых зафиксирован оксид углерода, меченный 14С, с помощью карбоксилирования 1,5-бисфосфата рибулозы (RuBP) (впервые синтезированной Джоном) дают промежуточный продукт С6, который расщепляется на 2 соединения С3.
Он показал, что бесклеточные экстракты зеленых водорослей Chlorella, обработанные меченным CO2 в течение 1 минут, образуют меченные фосфоглицераты при добавлении RuBP. И этот фосфоглицерат не образовывался при использовании других фосфатов сахаров.
В результате был сделан вывод, что экстракты содержат фермент (или ферменты), способные катализировать карбоксилирование дифосфата рибулозы, в частности для образования фосфоглицериновой кислоты.
Это было первое описание активности фермента, теперь известного, как рибулоза бисфосфат карбоксилаза (RuBisCo), который является самым распространенным ферментом на Земле.
В Беркли Джон впервые встретил Ханса Корнберга, с которым впоследствии сотрудничал в Оксфорде.
Метилотрофы В 1955 году Род со своей женой Ивонн вернулись в Англию, где он принял должность старшего научного сотрудника в институте DSIR’s Tropical Products в Лондоне для изучения химии природных пиретрин инсектицидов. Эта работа не сильно вдохновляла Рода, но в этом же году он случайно встретился с Хансом Корнбергом, который предложил ему подать заявку на должность в отдел исследований клеточного метаболизма, которым заведовал Кребс, в Оксфордском университете.
Там он совместно с Корнбергом предложил новый глиоксилатный цикл для роста бактерий на соединениях С2. В результате этих исследований его основной областью работы стала биохимия и физиология бактерий, растущих на соединениях С1, таких как формиат, метан, метанол и метиламин.
В 1957 году он начал читать лекции по биохимии в Оксфордском университете, таким образом став полноправным членом научного сообщества университета.
Бактериальный рост на соединениях С2 Ханс Корнберг провел исследование того, как бактерии способны расти на ацетате-соединении С2. Цикл трикарбоновой кислоты (также известный, как цикл Кребса) используется для окисления ацетата до СО2, однако ацетат также должен быть преобразован в соединения С3 и С4 для ассимиляции в клеточный материал. Чтобы этого достичь нужны дополнительные ферменты, которые пополняют цикл, когда промежуточные продукты удаляются для биосинтеза.
В 1957 году Корнберг и Кребс предположили существование глиоксилатного цикла, который включает два ключевых анаплеротических («заполняющих») фермента — изоцитратлиазу и малатсинтазу.
Они показали, что оба фермента присутствуют в бесклеточных экстрактах ацетатных бактерий.
Однако было необходимо продемонстрировать, что цикл функционирует в естественных условиях. Род вместе с Корнбергом воспользовались методами хроматографии, чтобы разделить и охарактеризовать путем химической деградации промежуточные продукты, образованные из 14С-меченного ацетата и СО2.
Оказалось, что распределение изотопов поддерживает одновременную работу цикла Кребса и глиоксилатного цикла.
Впоследствии Род использовал те же методики для изучения метилотрофных путей. После первоначального сотрудничества Род и Ханс Корнберг провели независимые исследования метаболизма соединений С2 более окисленных, чем ацетат.
Вместе с австралийским коллегой Брюсом Кичем, Род исследовал пути, по которым Pseudomonas oxalaticus растет на оксалате — наиболее оксиленном соединении С2. Они описали, как оксалат восстанавливается до глиоксилата, а затем превращается в глицерат по глицератному пути.
Глицератный путь был обнаружен Корнбергом и его учеником Тони Готто, который работал с выращенным на гликолате Pseudomonas ovalis. В 1959 году они опубликовали 2 статьи по бактериальному росту в Nature.
В последней статье в этой серии экспериментов сам Род показал, что энергия для роста приходит от декарбоксилирования оксалил-кофермента А до образования диоксида углерода.
Ключевым промежуточным звеном в этом процессе является крошечная формильная группа, связанная с двумя большими коферментам — коферментом А и тиаминпирофосфатом.
Бактериальный рост на соединениях С1 Pseudomonas oxalaticus также способен расти на формиате в качестве единственного источника углерода и энергии. Род вместе с Брюсом Кичем показали, что соединение C1 ассимилируется в клеточный материал через цикл Кальвина-Бенсона (фотосинтез). Фосфоглицерат оказался первым промежуточным продуктом в ассимиляции [14C] формиата или [14C] бикарбоната, причем формиат окислялся до углекислого газа до ассимиляции в клеточный материал. Эксперименты, похожие на те, которые он проводил в лаборатории Кальвина с использованием экстрактов хлореллы, подтвердили наличие ключевого фермента рибулозобисфосфаткарбоксилазы вместе с фосфорибулокиназой во время роста P.oxalaticus на формиате, но не на оксалате. Примерно через 15 лет Род показал, что некоторые метилотрофы (такие как Paracoccus denitrificans) также растут на метаноле посредством рибулозно-бисфосфатного пути (путь фотосинтеза Кальвина-Бенсона).
Род отмечал, что его исследование метилотрофных микробов могло бы пойти по другому пути, если бы он начал работать с Paracoccus вместо того, чтобы выделить собственный микроорганизм, Pseudomonas AM (в настоящее время Methylobacterium extorquens AM1). Этот организм был изначально выдел на метиламиновой среде в 1960 году его первым учеником Дэвидом Пилом. В течение последних 50 лет Methylobacterium extorquens AM1 является основным рабочим организмом для тех, кто работает в области биохимии, молекулярной биологии и биотехнологии бактерий, растущих на метаноле. Род использовал те же экспериментальные подходы, которые он разработал, чтобы подтвердить работу глиоксилатного цикла во время роста на ацетате и глицератного пути для ассимиляции оксалатов.
Сериновый цикл Со своими учениками Питером Ларжем и Дэвидом Пилом в серии экспериментов, он показал, что метанол ассимилируется в Pseudomonas AM1 (и в Hyphomicrobium vulgare) через новый ассимиляционный путь, так называемый сериновый цикл, в котором количество метанола зависит от уровня окисления формальдегида в серин и от уровня превращения диоксида углерода в оксалоацетат. Это исследование включало идентификацию ранних промежуточных продуктов, полученных путем инкубации выращенных в метаноле бактерий с [14C] метанолом или [14C] бикарбонатом. Положение изотопа в выделенных меченых соединениях (серин, глицин, аспартат и др.) определялось путем химической деградации и последующего анализа.