James Alan Shapiro

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James Alan Shapiro (* 18. Mai 1943) ist ein US-amerikanischer Biologe, Experte für Bakteriengenetik und Professor am Department of Biochemistry and Molecular Biology an der University of Chicago.

Leben und Werk

Shapiro erwarb 1964 seinen Bachelor in Englisch am Harvard College. 1][6] Angeregt von einem genetischen Kurs wechselte er vom Englischen in die Naturwissenschaften und promovierte 1968 am Corpus Christi College in Cambridge in Genetik. Anschließend forschte er als Postdoc bei Jonathan Beckwith an der Harvard Medical School, wo er dem Team angehörte, das 1969 erstmals ein einzelnes Gen aus einem Organismus isolierte[1]. Über die möglichen gentechnischen Anwendungen seiner Forschung, die „schlimme Konsequenzen haben könnte, die wir nicht kontrollieren können“[2], war Shapiro ebenso wie Beckwith zutiefst beunruhigt[3][4]

Shapiro verbrachte zwei Jahre als Dozent für Genetik in Havanna, Kuba, bevor er für eine weitere Postdoc-Arbeit zu Harlyn Halvorson an die Brandeis University zurückkehrte[5] Seit 1973 arbeitet er als Professor für Mikrobiologie an der University of Chicago und war von Zeit zu Zeit auch Gastprofessor, darunter 1994 als Darwin Prize Visiting Professor an der University of Edinburgh.

Von Barbara McClintock, der Entdeckerin der Transposons („springende Gene“), habe er gelernt, die Natur mit einem naiven, unvoreingenommen Blick zu betrachten: „Eine der Sachen, die ich von Barbara gelernt habe, ist, dass es die Aufgabe des Wissenschaftlers ist, die Geheimnisse zu identifizieren, die Probleme der Wissenschaft zu sehen, für die es keine Lösungen gibt.“[5]

1979 schlug Shapiro erstmals die „Replikative Transposition“ als Mechanismus der Gen-Mobilität vor[6]. Nach seinem Modell werden Gene wie Retrotransposons von einer DNA-Sequenz auf eine andere übertragen, wobei sich aus den beiden Sequenzen intermediäre „Theta-Komplexe“ („Shapiro intermediates“) bilden[7].

Später zeigte Shapiro, dass Bakterien in Gemeinschaften kooperieren, die ein komplexes Verhalten zeigen, wie z.B. Jagd, Aufbau von Schutzstrukturen und Verbreitung von Sporen, und in denen sich einzelne Bakterien zum Wohle der größeren Gemeinschaft opfern können[8][9][10].

Shapiro untersuchte auch Musterbildungen bei Bakterien, ein Bereich, in dem es seiner Meinung nach neue mathematische Prinzipien zu entdecken gibt, die auch dem Wachstum von Kristallen und den Formen kosmologischer Strukturen zugrunde liegen. Nach einfachen mathematischen Regeln würden so hochkomplexe emergente Formen entstehen[5][11].

natural genetic engineering

Ab 1992 beschäftigte sich Shapiro, aufbauend auf seinen früheren Arbeiten, in einer Reihe von Veröffentlichungen mit der Evolutionstheorie. Er untersucht vor allem, wie Neuheiten im Verlauf der biologischen Evolution entstehen und stellt das gängige Modell der synthetischen Evolutionstheorie in Frage, das Neuentwicklungen überwiegend auf zufällige Mutationen und natürliche Selektion zurückführt. Shapiro schlug statt dessen eine ganze Klasse zielgerichtet arbeitender natürlicher Prozesse vor, für die er zusammenfassend den Begriff natural genetic engineering (NGE) prägte[12][13]. Er greift dabei auch das zentrale Dogma der Molekularbiologie an, wonach genetische Information nur von Nukleinsäure zu Nukleinsäure oder von Nukleinsäure zu Protein übertragen werden kann, aber nicht umgekehrt vom Protein zur Nukleinsäure. Der genetische Informationsfluss ist damit aber nicht erschöpfend beschrieben, da Proteine (insbesondere Histone) durch epigenetische Prozesse wesentlich an der Regulation der Genexpression beteiligt sind.

„Neue Erkenntnisse über die genetische Erhaltung von Proteinstrukturen und -funktionen über sehr weite Bereiche taxonomischer Grenzen hinweg, die Mosaikstruktur von Genomen und Genloci und die molekularen Mechanismen von genetische Veränderungen deuten alle auf eine Sichtweise der Evolution hin, die die Neuordnung grundlegender genetischer Motive beinhaltet. Eine detaillierte Untersuchung der Umstrukturierung des Genoms durch lebende Zellen zeigt eine Vielzahl von anspruchsvollen Methoden biochemischer Systeme, die auf ausgeklügelte regulatorische Netzwerke reagieren. In einigen Fällen wissen wir, dass Zellen in der Lage sind, eine umfassende Genomreorganisation innerhalb einer oder weniger Zellgenerationen zu erreichen. Die Entstehung bakterieller Antibiotikaresistenz ist ein zeitgemäßes Beispiel für evolutionäre Veränderungen; die molekulare Analyse dieses Phänomens hat gezeigt, dass es durch die Hinzufügung und Neuanordnung von Resistenzdeterminanten und genetische Mobilitätssysteme bewirkt wird und nicht durch allmähliche Veränderung bereits vorhandener zellulärer Genome. Darüber hinaus verfügen Bakterien und andere Organismen über komplizierte Reparatursysteme, um genetische Veränderungen durch sporadische physikalisch-chemische Maßnahmen Beschädigung oder Fehler der Replikationsmaschine zu verhindern. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass lebende Zellen biochemische Vorrichtung besitzen (und verwenden), um sich durch einen gentechnischen Prozess zu entwickeln. Die zukünftige Forschung wird zeigen, wie gut die Regulationssysteme die genomische Veränderung in grundlegende Lebensprozesse während der Evolution integrieren.“

– James A. Shapiro: Natural genetic engineering in evolution (1992), S. 99[14]

Eine mit vielen Beispielen belegte Zusammenfassung seiner Forschungsergebnisse gibt Shapiro in seinem 2011 veröffentlichten Buch „Evolution: A View from the 21st Century“. Weil Shapiros Ideen auch von Vertretern des Intelligent Design diskutiert wurden, musste sich Shapiro einige Kritik gefallen lassen, obwohl er sich nachdrücklich von jeder Form des Kreationismus und insbesondere auch vom Intelligent Design distanziert hatte. Kritisiert wird vor allem sein teleologischer Ansatz und seine als unfair erscheinende Wertung des zentralen Dogmas der Molekularbiologie.

Veröffentlichungen

Bücher
  • James A. Shapiro: Evolution: A View from the 21st Century, Financial Times Prentice Hall 2013, ISBN 978-0133435535

Einzelnachweise

  1. ↑ Robert Reinhold: Scientists Isolate Single Gene in Step to Heredity Control, Artikel in The New York Times, 23. November 1969
  2. ↑ Playing With Biological Fire, Artikel in The New York Times, 8. Dezember 1969
  3. ↑ Jonathan R. Beckwith: Making genes, making waves: a social activist in science, Harvard University Press 2002, ISBN 978-0-674-00928-8
  4. ↑ Richard Knox: (January 20, 1970), "Harvard Geneticist Turns to Social Ills", Artikel in The Boston Globe, 20. Januar 1970
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 Gina Kolata: The Biologist Who Saw a Pattern, Artikel in The New York Times, 13. Oktober 1992
  6. ↑ J. A. Shapiro: Molecular model for the transposition and replication of bacteriophage Mu and other transposable elements, in: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 76 (4), 1979, pp. 1933–1937, doi:10.1073/pnas.76.4.1933 PMC 383507, PMID 287033. pdf
  7. ↑ Frederic Bushman: Lateral DNA transfer: mechanisms and consequences, CSHL Press 2002, p. 46, ISBN 978-0-87969-621-4 google
  8. ↑ Malcolm W. Browne: Some Thoughts on Self Sacrifice, Artikel in The New York Times, 5. Juli 1988
  9. ↑ Gina Kolata: Bacteria Are Found to Thrive on a Rich Social Life, Artikel in The New York Times, 13. Oktober 1992
  10. ↑ Sandra Guy: [ Scientist uncovers secret lives of bacteria], Artikel in [[w:Chicago Sun-Times|]], 15. Dezember 2004
  11. ↑ Making the complex simple, Artikel in The Economist, 25. Januar 2001
  12. ↑ James A. Shapiro: Natural genetic engineering in evolution , in: Genetica, 86 (1–3), 1992, pp. 99–111, doi:10.1007/BF00133714 PMID 1334920 pdf
  13. ↑ James A. Shapiro: Genome organization, natural genetic engineering and adaptive mutation, in: Trends in Genetics, 13 (3), 1997, pp. 98–104, doi:10.1016/S0168-9525(97)01058-5 pdf
  14. ↑ „New findings about the genetic conservation of protein structure and function across very broad taxonomic boundaries, the mosaic structure of genomes and genetic loci, and the molecular mechanisms of genetic change all point to a view of evolution as involving the rearrangement of basic genetic motifs. A more detailed examination of how living cells restructure their genomes reveals a wide variety of sophisticated biochemical systems responsive to elaborate regulatory networks. In some cases, we know that cells are able to accomplish extensive genome reorganization within one or a few cell generations. The emergence of bacterial antibiotic resistance is a contemporary example of evolutionary change; molecular analysis of this phenomenon has shown that it occurs by the addition and rearrangement of resistance determinants and genetic mobility systems rather than by gradual modification of pre-existing cellular genomes. In addition, bacteria and other organisms have intricate repair systems to prevent genetic change by sporadic physicochemical damage or errors of the replication machinery. In their ensemble, these results show that living cells have (and use) the biochemical apparatus to evolve by a genetic engineering process. Future research will reveal how well the regulatory systems integrate genomic change into basic life processes during evolution.“
    Shapiro 1992, p. 99
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