David Shugar

Urodzony 10 IX 1915 w Józefowie na Kielecczyźnie. Od 1919 w Kanadzie. Studia na McGill University w Montrealu (magisterium 1936, doktorat 1940). Podczas wojny służył w Marynarce Kanadyjskiej, pracując nad radarowymi systemami wykrywania łodzi podwodnych. Od 1948 w Instytucie Pasteura w Paryżu na Sorbonie oraz w Institut de Biologie Physico-Chimique na Wolnym Uniwersytecie w Brukseli (1950–1952). Od 1952 w Polsce; kierownik Zakładu Biochemii Państwowego Zakładu Higieny, potem długoletni kierownik Zakładu Biologii Molekularnej PAN. W 1965 stworzył Katedrę (obecnie Zakład) Biofizyki w Instytucie Fizyki Doświadczalnej UW.

Biofizyk i biolog molekularny, twórca szkoły badań oraz wychowawca wielu biofizyków i biologów molekularnych w Polsce; zajmował się m.in. podstawami mutagenezy wywołanej uszkodzeniami DNA i RNA, tautomerycznymi przemianami zasad nukleinowych, inhibitorami kinaz białkowych.
Pomysłodawca Festiwalu Nauki w Warszawie. Laureat wielu prestiżowych wyróżnień.
Doktor honoris causa uniwersytetu w Gandawie i UW.
Członek zagraniczny PAN (1980).
Zmarł 31 X 2015 w Warszawie.

O potrzebie rozwinięcia prac biofizycznych w Polsce, „Kosmos” 1955, ser. A, R. 4, s. 195–207; Tautomerism of purines and pyrimidines, their nucleosides and various analogues (współautor: Anna Psoda), [w:] Landolt-Bornstein Encyclopedia: Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, Group VII: Biophysics, t. I, 4.12, 1991.

RYSZARD STOLARSKI

DAVID SHUGAR

1915–2015

 

W 2015 roku zbiegło się wiele rocznic oraz zdarzeń związanych z życiem i pracą badawczą wybitnego polskiego biofizyka, prof. Davida Shugara. W tym roku przypadła setna rocznica urodzin, siedemdziesiąta piąta rocznica obrony jego pracy doktorskiej Stark effect in copper and nickel na Uniwersytecie McGill w Montrealu (promotor dr John S. Foster, MacDonald Physics Laboratory) i pięćdziesiąta rocznica utworzenia przez prof. Shugara Katedry Biofizyki na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Nastąpiło też głęboko zasmucające wydarzenie, jakim była śmierć profesora w dniu 31 października, krótko po zakończeniu konferencji naukowej dla uhonorowania setnej rocznicy jego urodzin „Challenges in Molecular Biology, Biophysics, and Biomedicine” (Warszawa, 17–19 września 2015).

Głównym wątkiem bogatego w wydarzenia życia prof. Davida Shugara była praca naukowo-badawcza. Urodzony 10 września 1915 roku w Polsce (Józefów na Kielecczyźnie) David Shugar jako dziecko wyemigrował wraz z rodzicami do Kanady, gdzie w 1936 roku ukończył studia na Uniwersytecie McGill i otrzymał stopień Bachelor of Science z wyróżnieniem. Po uzyskaniu stopnia doktora skoncentrował swoje zainteresowania badawcze na fizyce biomedycznej, pracując w Uniwersyteckiej Szkole Medycznej i biorąc udział w budowie ultrawirówki analitycznej do przeprowadzania sedymentacji materiałów biologicznych. W czasie II wojny światowej służył w Marynarce Kanadyjskiej.

Po opuszczeniu Kanady David Shugar kontynuował prace badawcze w Instytucie Pasteura w Paryżu (1948–1949), następnie w Institut de Biologie Physico-Chimique na Sorbonie (1949–1950) i na Wolnym Uniwersytecie w Brukseli (1950–1952). Po przyjeździe do Polski w 1952 roku, na zaproszenie wybitnego fizyka, profesora Leopolda Infelda, Shugar rozwinął pionierskie badania w zakresie biofizyki molekularnej w kierowanych i współtworzonych przez siebie placówkach związanych z Polską Akademią Nauk: w Zakładzie Biochemii Państwowego Zakładu Higieny oraz w Pracowni Fizykochemii Biologicznej w Zakładzie Biochemii PAN, który został w 1957 roku przekształcony w Instytut Biochemii i Biofizyki PAN. Profesor Shugar objął w nowym Instytucie kierownictwo Zakładu Biofizyki.

Efektywne prowadzenie badań w stosunkowo nowej dziedzinie, jaką była biofizyka, wymagało kształcenia studentów i doktorantów – przyszłej kadry biofizyków. To najprawdopodobniej skłoniło Davida Shugara do podjęcia w 1965 roku inicjatywy utworzenia Katedry Biofizyki na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (późniejszy Zakład Biofizyki w Instytucie Fizyki Doświadczalnej1), pierwszej placówki tego typu w Polsce. Do 1972 roku Shugar pełnił rolę kierownika Zakładu. Po przekazaniu funkcji kierowniczych młodszym współpracownikom, przez wiele lat (także po osiągnięciu wieku emerytalnego) de facto kierował pracą naukową Zakładu. Uzyskane rezultaty i osiągnięcia nakreślili dr hab. Maciej Geller w publikacji z okazji 75 rocznicy powstania fizyki na Hożej2 oraz prof. Andrzej Kajetan Wróblewski3. Bardziej szczegółowe omówienie niezwykle szerokiego zakresu badań zespołów kierowanych przez prof. Shugara i współpracujących z nim badaczy z różnych ośrodków zagranicznych i krajowych zawiera – w cyklu artykułów przeglądowych – jeden z numerów czasopisma „Postępy Biochemii”, wydany specjalnie z okazji setnej rocznicy urodzin profesora i wspomnianej międzynarodowej konferencji „Challenges in Molecular Biology, Biophysics, and Biomedicine”4.

Mój kontakt z biofizyką datuje się od czasu wysłuchania wykładu wygłoszonego przez profesora w ramach seminarium dla trzeciego roku studiów na Wydziale Fizyki. Seminarium miało na celu przybliżenie studentom tych dziedzin fizyki, z którymi nie mieli okazji zetknąć się wcześniej na Wydziale i ewentualnie zachęcenie ich do podjęcia specjalizacji po ukończeniu trzeciego roku studiów. Tak stało się w moim przypadku i w 1972 roku podjąłem 2,5-letnie wówczas studia specjalistyczne „na biofizyce”, zakończone pracą magisterską w 1975 roku, wykonaną pod opieką profesora.

Program studiów specjalistycznych w Zakładzie Biofizyki różnił się wyraźnie od dotychczasowych zajęć na wcześniejszych latach oraz od zajęć na innych specjalnościach. Otrzymaliśmy znaczną porcję wiedzy chemicznej i biologicznej. Zakład Biofizyki zrzeszał i zrzesza obecnie badaczy o różnych specjalnościach, oprócz (bio)fizyków także chemików, biochemików i biologów. W tym czasie większość kadry naukowej Zakładu nie miała jeszcze stopnia doktora i część wykładów prowadzili specjaliści z innych wydziałów i uczelni. Miałem przyjemność wysłuchania m.in. wykładu profesorów Włodzimierza Kołosa z chemii kwantowej i Mariana Kryszewskiego z fizyki polimerów. Profesor Shugar prowadził dwa wykłady specjalistyczne: z biofizyki i z genetyki, a także specjalistyczne seminarium biofizyczne. Myślę, że moja prezentacja na seminarium na temat spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego na tyle zainteresowała profesora, że zaproponował mi podjęcie pracy asystenta w Zakładzie Biofizyki, połączonej z przygotowywaniem rozprawy doktorskiej, której był promotorem. Profesor kierował moją pracą naukową i współdecydował o wyborze moich staży zagranicznych po doktoracie. Gdy w 1992 roku uzyskałem habilitację, rozpocząłem samodzielne badania, ale zawsze mogłem liczyć na pomoc i współpracę z jego strony.

Przegląd numeru specjalnego „Postępów Biochemii”5 poświęcony prof. Shugarowi zwraca uwagę na niezwykle szeroki zakres problematyki badawczej, którą zajmował się on wraz ze swoimi licznymi współpracownikami. Profesor Shugar jest współautorem ponad 400 publikacji w anglojęzycznych czasopismach o zasięgu międzynarodowym z liczbą cytowań przekraczającą 10 tysięcy. Interdyscyplinarne badania obejmują fizyczne podstawy procesów biologicznych związanych z mutagenezą kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA), transformacją genetyczną bakterii, katalizą enzymatyczną i terapeutycznym działaniem pochodnych nukleozydów i nukleotydów. W skrótowym, siłą rzeczy, przeglądzie tematyki i osiągnięć Davida Shugara i jego współpracowników skoncentruję się na biofizycznych aspektach jego prac badawczych. Nie należy jednak zapominać o stronie biologicznej tych prac i istotnym wkładzie profesora także w tę dziedzinę.

Jeszcze podczas pobytu we Francji David Shugar rozpoczął badania spektroskopowe i fotochemiczne białek enzymatycznych: dehydrogenaz, rybonukleazy, lizozymu i RNazy, w tym ich inaktywacji fotochemicznej i fotoreaktywacji. Wspólnie z chemikiem Jackiem J. Foxem wykonał pionierskie badania widm absorpcyjnych zasad pirymidynowych kwasów nukleinowych. Opublikowanie przez Jamesa D. Watsona i Francisa Cricka modelu przestrzennego podwójnej helisy DNA w 1953 roku stało się inspiracją dla wielu zespołów badawczych, także dla prof. Shugara, do analizy wpływu promieniowania ultrafioletowego (UV) na nukleotydy i oligomery DNA. David Shugar kontynuował badania fotochemiczne po przyjeździe do Polski, m.in. nad fotoaddycją cząsteczki wody do podwójnego wiązania węgiel-węgiel w pierścieniu pirymidynowym i „ciemną” eliminacją cząsteczki wody z pierścienia oraz niezwykle ważną, z punktu widzenia uszkodzeń DNA pod wpływem promieniowania UV, reakcją fotodimeryzacji pirymidyn. Wyrazem uznania dla tych osiągnięć był złoty medal Międzynarodowego Towarzystwa Fotobiologicznego im. Nilsa Finsena, przyznany Davidowi Shugarowi w 1976 roku.

Zespół profesora Shugara należał do ścisłej światowej czołówki w badaniach zjawiska tautomerii zasad kwasów nukleinowych, zagadnienia niezwykle istotnego z punktu widzenia problemu inicjacji mutacji punktowych, spontanicznych i indukowanych przez chemiczne czynniki mutagenne. Badania z wykorzystaniem metod spektroskopii absorpcyjnej w zakresie UV i w zakresie podczerwieni (IR) oraz spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) dotyczyły zarówno naturalnych zasad i nukleozydów, jak i ich chemicznie modyfikowanych pochodnych o potencjalnej aktywności mutagennej i kancerogennej. Osiągnięcia w tej dziedzinie znalazły wyraz w powierzeniu Shugarowi opracowania rozdziału o tautomerii w Encyklopedii Landolta-Börnsteina6.

Oddziaływania międzycząsteczkowe w kompleksach enzym-substrat oraz enzym-inhibitor mają kluczowe znaczenie w molekularnych mechanizmach katalizy enzymatycznej. Ich analiza jest również warunkiem koniecznym racjonalnego projektowania środków chemioterapeutycznych, antybakteryjnych, antywirusowych i antynowotworowych (rational drug design). Wspomniane wcześniej badania enzymów stały się jednym z wiodących tematów zespołów kierowanych przez Shugara i objęły fosforylazy nukleozydów purynowych, syntazę tymidylanową stanowiącą jedną z „tarcz” (receptor do zablokowania) w projektowaniu środków przeciwnowotworowych, oraz kinazy białkowe, które, fosforylując inne białka, uczestniczą w jednym z podstawowych mechanizmów regulacji aktywności biochemicznej tych białek. Obok metod spektroskopowych, zespoły kierowane i współpracujące z prof. Shugarem prowadziły badania strukturalne z wykorzystaniem dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego, najważniejszej obecnie metody wyznaczania struktur przestrzennych makromolekuł. Z inicjatywy profesora Shugara zorganizowano w 1998 roku pierwszą międzynarodową konferencję „Inhibitors of Protein Kinases” (IPK), której kolejne edycje odbywają się cyklicznie co dwa lata.

Zarówno substraty jak i inhibitory wielu enzymów, w tym potencjalne środki chemioterapeutyczne, są niskocząsteczkowymi ligandami. Do tej klasy związków należą także nukleozydy i nukleotydy, stanowiące ponadto monomery budujące kwasy nukleinowe. Stąd jeden z głównych nurtów badań w latach 70. i 80. XX wieku dotyczył syntez chemicznych oraz wyznaczania konformacji w roztworze (NMR) i w krysztale (dyfrakcja rentgenowska) analogów nukleozydów i nukleotydów. Badaniom konformacji zasady wokół wiązania glikozydowego z cukrem oraz konformacji reszty cukrowej poddano zarówno naturalne nukleozydy i nukleotydy, jak i pochodne z arabinozą, ksylozą i lyksozą zamiast rybozy (deoksyrybozy), pochodne z resztami acyklicznymi zamiast pierścieni cukrowych i nukleozydy z pochodnymi benzimidazolu zamiast zasady purynowej. Niektóre z tych związków uzyskały zastosowanie terapeutyczne, np. acyklowir przeciw wirusowi opryszczki. Dzięki pracom syntetycznym i wdrożeniowym prof. Zygmunta Kazimierczuka 2-chloroadenozyna (2CdA) była stosowana przeciw niektórym typom białaczki.

Chociaż David Shugar był biofizykiem eksperymentatorem, warto podkreślić jego inspirująca rolę w podjęciu przez pracowników Zakładu Biofizyki badań z zakresu biofizyki teoretycznej, m.in. we współpracy z prof. Józefem S. Kwiatkowskim z Uniwersytetu im. Mikołaja Kopernika w Toruniu. Szybki rozwój hardwareusoftwareu komputerów od połowy lat 80. XX wieku umożliwił ich szerokie wykorzystanie w obliczeniach numerycznych energii cząsteczek metodami chemii kwantowej, energii makrocząsteczek metodami mechaniki molekularnej z klasycznymi polami siłowymi (force field) oraz w analizie dynamiki makromolekuł metodami Monte Carlo i metodami symulacji klasycznej (MD), brownowskiej (BMD) i klasyczno-kwantowej dynamiki molekularnej (QCMD).

Dorobek naukowy prof. Shugara doczekał się licznych wyróżnień i nagród. Profesor był m.in. doktorem honoris causa dwóch uczelni, Uniwersytetu w Gandawie i Uniwersytetu Warszawskiego, członkiem Polskiej Akademii Nauk (zagranicznym, ze względu na zachowanie obywatelstwa kanadyjskiego), członkiem zagranicznych towarzystw naukowych: The Royal Society of Canada i American Chemical Society oraz członkiem komitetów redakcyjnych szeregu czasopism naukowych. Wraz z Maciejem Gellerem był inicjatorem Festiwalu Nauki Polskiej, czołowego w skali Polski przedsięwzięcia popularyzującego naukę i wieloletnim członkiem Rady Programowej Festiwalu. Jako opiekun około 100 prac magisterskich i przeszło 30 prac doktorskich David Shugar wychował szerokie grono uczniów: biofizyków, biochemików i biologów molekularnych, którzy prowadzili lub nadal prowadzą badania w ośrodkach na całym świecie.

1www.biogeo.uw.edu.pl (dostęp: 12.11.2015).

2M. Geller, Zakład Biofizyki (1966–1995), [w:] 75 lat fizyki na Hożej, Warszawa 1996, s. 85–89.

3A. K. Wróblewski, Nauki fizyczne, [w:] Historia nauk ścisłych i przyrodniczych na Uniwersytecie Warszawskim, seria „Monumenta Universitatis Varsoviensis”, Warszawa 2016.

4„Postępy Biochemii”, 2015, t. LXI, z. 3.

5Ibidem.

6D. Shugar, A. Psoda, Tautomerism of purines and pyrimidines, their nucleosides and various analogues, [w:] Landolt-Bornstein Numerical Data and Functional Relationship in Science and Technology, ed. by W. Saenger, Berlin 1990, s. 308–348.