О́тто Варбург, Нобелевская премия 1931 года

«Рак, в отличие от других заболеваний, имеет бесчисленное множество вторичных причин. Но даже у рака есть всего одна первичная причина. Если кратко, основная причина рака — это замена кислородного дыхания в нормальных клетках тела на ферментацию глюкозы».

Отто Варбург

Отто Варбург – немецкий биохимик, врач и физиолог, ученик другого лауреата Нобелевской премии (1902 г.) немецкого химика Эмиля Фишера. Нобелевская премия присуждена «За открытие природы и механизма действия дыхательного фермента».

Образование, степени, звания и профессиональный путь

С самого детства Отто Варбурга окружали ученые: его отец, Эмиль Варбург, был профессором физики в Берлинском университете, президентом Германского физического общества, номинировался на Нобелевскую премию; близкими друзьями семьи были Макс Планк и Альберт Эйнштейн. Отто получил среднее образование в престижной гимназии Фридриха Вердера в Берлине.

Свой путь к высшему образованию Варбург начал в университете Фрайбурга (1901 год), но уже через два года перевелся в Берлинский университет и параллельно с этим начал работать в лаборатории Эмиля Фишера (тоже друга семьи, который в 1902 году стал Нобелевским лауреатом по химии.

1906 год. Отто Варбург получил докторскую степень по химии. Однако строго по пути своего учителя Отто Варбург не пошел – он видел своей целью поиск причин онкологических заболеваний. Для этого молодой ученый поступил в Гейдельбергский университет для изучения медицины, где лабораторной деятельностью занимался физиолог Лудольф фон Крель, который и стал наставником Варбурга.

1911 год. Отто Варбург получил докторскую степень по медицине и последующие три года работал то в Гейдельберге, то в Неаполе, где располагалась самая крупная в Европе зоологическая станция (здесь Варбург проводил свои эксперименты).

1914 год. С началом Первой мировой войны Варбург ушел добровольцем на фронт, однако после ранения его демобилизовали, и он вернулся к своим научным опытам.

1918 год. О. Варбурга назначили профессором Института биологии Кайзера Вильгельма в Берлине.

С 1931 года Варбург был директором Института клеточной физиологии Кайзера Вильгельма, созданного на пожертвования Фонда Рокфеллера в пользу общества Кайзера Вильгельма Гезельшафт.

Отметим, что ученый редко покидал Германию и уж тем более не собирался никуда переезжать. Однако с приходом к власти нацистов Отто Варбургу как еврею по происхождению запретили преподавать. Оставаться в Германии было сродни самоубийству. Варбурга спасло только то, что Гитлер очень боялся онкологических заболеваний, и по его личному приказу Варбурга оставили в покой и, более того, разрешили снова заняться наукой.

С 1949 года Варбург жил и работал в Западном Берлине.

Отто Варбург — иностранный член Королевского общества в Лондоне (1934 г.) и член Академий Берлина, Галле, Копенгагена, Рима и Индии. Он награжден Орденом за заслуги, Большим крестом и Звездно-плечевой лентой Бундесреспублики. В 1965 году ему было присвоено звание почетного доктора Оксфордского университета.

Основные научные достижения

Первая научная работа Варбурга была посвящена дыханию и метаболизму – в 1908 году он доказал, что после оплодотворения икринки морского ежа начинают потреблять кислород в шесть раз активнее, чем до оплодотворения.

1913 год. Работая в Неаполе на зоологической станции, Варбургу удалось выделить субклеточные структуры из клеток печени морской свинки, которым он дал название «гранулы» (это были те самые митохондрии, уже открытые в XIX веке). Для Варбурга это стало первым шагом к его будущему открытию клеточного дыхания.

Кроме того, ранние исследования Варбурга и Фишера были посвящены полипептидам. В Гейдельберге он работал над процессом окисления. Его особый интерес к исследованию процессов жизнедеятельности физическими и химическими методами привел к попыткам связать эти процессы с явлениями неорганического мира. Его методы включали детальные исследования поглощения углекислого газа растениями, метаболизма опухолей и химического состава дыхательного фермента, переносящего кислород.

Продолжая работу над поиском спусковых механизмов, которые делают нормальные клетки злокачественными, Варбург проводил эксперименты со срезами тканей. Ученый оценивал, сколько кислорода необходимо опухолевым клеткам и здоровым клеткам. Оказалось, что это количество сопоставимо, но с той лишь разницей, что злокачественные клетки в присутствии кислорода выделяют существенно больше молочной кислоты (известно, что до молочной кислолты распадается глюкоза). Так ученый открыл, что опухолевые клетки используют гликолиз (наименее эффективный путь сжигания глюкозы), а не митохондриальное окисление. Это открытие было названо «эффектом Варбурга».

Сделаем небольшое отступление, чтобы объяснить, как именно профессору Варбургу удалось установить точное количество поглощаемого клетками кислорода. Для проведения измерений доктор Варбург приобрел манометр. Увидев «газовый манометр крови» Баркрофта во время краткого визита в лабораторию Джозефа Баркрофта в Кембридже, Варбург начал использовать этот прибор. Он отличался от более ранних манометров тем, что специальное устройство поддерживало постоянный объем газового пространства, так что давление было единственной переменной величиной, когда газ образовывался или удалялся при постоянной температуре. Профессор Варбург изобретательно адаптировал его для измерения скорости газообмена. Таким образом, преимущество манометрического метода Варбурга перед другими манометрическими методами состояло в том, что он непосредственно измерял приращения, в то время как другие аналитические процедуры измеряли различия. Следовательно, присутствие каких-либо количеств O₂ или CO₂ не влияло на точность измерений. Манометрия стала ключевым фактором в открытии молочнокислой ферментации раковых тканей, во многих работах по клеточному дыханию, ферментации и фотосинтезу, а также в идентификации железопорфириновой структуры переносящего кислород фермента клеточного дыхания.

В 1926 году Варбург открыл дыхательный фермент цитохромоксидазу (так называемый дыхательный фермент Варбурга), которая катализирует окислительно-восстановительные реакции на поверхности тех самых гранул, митохондрий. Используя радиоактивные метки, Варбург смог установить, что активным коферментом (дополнительным веществом, необходимым для обеспечения нормальной работы фермента) цитохромоксидазы является молекула порфирина с атомом железа, действующим как переносчик кислорода (очень похожая на гем, структуру которого установил лауреат Нобелевской премии по химии 1930 года Ханс Фишер). Это стало первой идентификацией активной группы фермента. Это открытие открыло новые пути в области клеточного метаболизма и клеточного дыхания.

Более поздние исследования в Институте Кайзера Вильгельма привели ученого к открытию, что флавины и никотинамид являются активными группами ферментов, переносящих водород. Это дало полное описание процессов окисления и восстановления в живом мире.

После возвращения с Первой мировой войны и до самой смерти Отто Варбург занимался тремя основными направлениями исследований: фотосинтезом, раком и химической природой ферментов, ответственных за превращения биологической энергии (т.е. окисление и восстановление). Во всех трех он значительно продвинул методологию и сделал фундаментальные открытия.