Hamilton Smith

“Il peso dei risultati scientifici del Dr. Smith è eguagliato da pochi nella storia. È uno dei veri giganti della scienza.“
JCVI, Comunicato Stampa del 22/12/2020

Biografia

Primi anni

Hamilton Smith nacque il 23 agosto 1931 a New York. Passò tutta la sua infanzia a Champaign-Urbana, nell’Illinois, dove il padre era entrato a far parte della facoltà del Dipartimento di Educazione dell’Università dell’Illinois, mentre la madre cercava di affermarsi come scrittrice, senza mai riuscirci. Tuttavia, lei, in particolare, ispirò il giovane Hamilton a desiderare una vita creativa.

Smith frequentò la University High School, una scuola di piccole dimensioni con una serie di studenti di grande talento provenienti in gran parte da famiglie di docenti universitari.

Carriera universitaria

Dopo aver completato il liceo, proseguì all’Università dell’Illinois, specializzandosi in matematica per la quale aveva una forte propensione. Tuttavia, durante il secondo anno, iniziò ad approfondire le conoscenze sul sistema nervoso. Continuò a coltivare questo interesse anche dopo essersi trasferito all’Università della California a Berkeley nel 1950. Era ormai chiaro che la matematica, pur fornendogli un’ottima formazione di base, non era il suo vero interesse.

Con un crescente apprezzamento della biologia e un interesse per la neurofisiologia, nel 1952 iniziò la scuola di medicina all’Università Johns Hopkins di Baltimora, nel Maryland. A seguito della laurea, nella seconda metà degli anni Cinquanta, proseguì con lo stage medico al Barnes Hospital di St. Louis, dove incontrò Elizabeth Anne Bolton, giovane studentessa di infermieristica, che sposò dopo pochi mesi.

Da medico a ricercatore

Iniziò la sua carriera come medico prestando servizio in Marina a San Diego dal 1957 al 1959, e in questo periodo iniziò ad approfondire e leggere libri di genetica.

Nel 1962 Hamilton Smith decise di lasciare la professione medica per inseguire la sua grande passione per la ricerca di base, e approdare così alla biologia molecolare, che allora era un settore nuovo e ricco di promesse. La sua carriera di biologo cominciò nel laboratorio di Myron Levine, nel Dipartimento di Genetica umana dell’Università del Michigan ad Ann Arbor. Hamilton Smith e Myron Levine studiarono e approfondirono la lisogenia del fago della Salmonella P22, e nel 1965, scoprirono il gene che controlla l’attaccamento del profago, ora noto come gene int.

Fra il 1966 e il 1967, Myron Levine si trasferì nel laboratorio di Werner Arber a Ginevra per un anno sabbatico e da lì scriveva a Smith, aggiornandolo sulla capacità dei batteri di tagliare il DNA estraneo. Erano davvero lettere interessanti; tuttavia, Smith all’epoca era concentrato sulle strategie che i virus utilizzano per sopravvivere a spese delle cellule. Poco tempo dopo, Smith si trasferì a Baltimora, dove il microbiologo Dan Nathans lo aveva chiamato nel suo gruppo di ricerca presso l’Università Johns Hopkins (la stessa in cui si era laureato). Qui Smith scoprì il primo enzima di restrizione nel batterio Haemophilus influenzae.

*Figura 1 – Haemophilus influenzae su Agar sangue [Fonte: wikipedia.org]*

Incontro con Craig Venter

Nel 1992, il genetista Craig Venter fondò l’Institute for Genomic Research (TIGR), istituto di ricerca genetica no-profit, dove Hamilton Smith propose per la prima volta il sequenziamento di un organismo completo.

Nel 1995, Hamilton Smith e Craig Venter, insieme al resto del team dell’Istituto, riuscirono ad ottenere il primo sequenziamento di DNA batterico di Haemophilus influenzae. Quel genoma batterico contiene 1749 geni e oltre 1,8 milioni di paia di basi, e metterlo insieme richiese un anno di lavoro. Il risultato ottenuto fu davvero sorprendente per quegli anni di ricerca.

Dopo il successo ottenuto con Haemophilus influenzae, nel 1998 Hamilton Smith decise di lasciare definitivamente il suo ruolo da docente all’Università Johns Hopkins dopo 31 anni di lavoro, ed entrò a far parte ufficialmente del TIGR per continuare a sequenziare i primi genomi. Smith insieme al resto del team dell’Istituto iniziò a discutere sull’idea di sviluppare una cellula con il genoma ridotto ai minimi termini.

Dal 1998 al 2002, presso Celera Genomics, Craig Venter insieme a Hamilton Smith e agli altri ricercatori coinvolti sequenziarono la Drosophila e il genoma umano, impiegando il sequenziamento shotgun.

Biologia sintetica

Nel 2005, venne fondata la Synthetic Genomics Inc. (SGI) da Craig Venter, Hamilton Smith, Juan Enriquez e David Kiernan. La società è ancora oggi in attività e ha lo scopo di progettare e costruire sistemi biologici. Nel 2010 è stata istituita anche la Synthetic Genomics Vaccines Inc., per sviluppare vaccini di prossima generazione.

Nel 2006, Craig Venter fondò il J. Craig Venter Research Institute (JCVI) dove venne assorbito anche il TIGR insieme ad altre organizzazioni. Il team di JCVI, guidato da Smith e Venter, ottenne grandi risultati nella biologia sintetica, e lavora ancora oggi a diversi progetti di ricerca scientifica.

Negli anni trascorsi al JCVI, Smith divenne illustre professore e direttore scientifico del gruppo di biologia sintetica.

Il 20 maggio 2010, mentre la rivista Science pubblicava online l’articolo che descriveva la prima cellula sintetica (Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0), i ricercatori che l’avevano ottenuta erano a Washington per rispondere alle domande dei giornalisti. Tra questi c’era Hamilton Smith che spiegava di avere ormai nelle mani tutte le istruzioni per capire come lavora una cellula e che si poteva guardare a scenari futuri finora inediti.

Nel 2016, Hamilton Smith insieme a Craig Venter e Clyde Hutchison ottennero un batterio sintetico con 473 geni chiamato JCVI-syn3.0, costituito esclusivamente dalle tessere indispensabili alla sopravvivenza: era il programma genetico alla base della vita. Il lavoro su JCVI-syn3.0 e le sue applicazioni continuano ancora oggi con i ricercatori del JCVI che utilizzano questo semplice batterio per studiare i primi principi della vita cellulare.

Focus: la scoperta del primo enzima di restrizione

Nel gruppo di ricerca di Dan Nathans, Smith aveva iniziato a studiare il batterio Haemophilus influenzae, in passato considerato per errore la principale causa dell’influenza. Durante questi nuovi esperimenti sul batterio, aveva osservato qualcosa che lui stesso inizialmente aveva definito come “uno speciale meccanismo”, un particolare comportamento dei batteri. A Smith era stato sufficiente scorrere le lettere che Levine gli aveva scritto da Ginevra, per cogliere un legame tra il meccanismo che aveva osservato nei batteri e il comportamento degli enzimi ipotizzati da Werner Arber. Ricorda così Smith:

“Non avevo pregiudizi al riguardo. Naturalmente cominciai a pensare di che cosa potesse trattarsi e avevo da fare solo un semplice esperimento per determinare se quello che vedevo al lavoro fosse effettivamente un enzima di restrizione”.
Hamilton Smith

L’esperimento era chiaro e non lasciava alcun dubbio: Smith e i colleghi con cui aveva lavorato, Wilcox e Kelly, avevano osservato il primo enzima di restrizione, capace di tagliare il DNA. Lo chiamarono Hind II, che vuol dire deossiribonucleasi (nome tecnico degli enzimi di restrizione) dell’Haemophilus influenzae di tipo II.

L’enzima di restrizione è un enzima batterico che taglia il DNA, e fa parte di un meccanismo di difesa utilizzato dai batteri per proteggersi dall’inserimento di DNA estraneo. Per i ricercatori si tratta di uno strumento fondamentale per tagliare la molecola del DNA con elevata precisione.

La scoperta di un enzima così specializzato confermava anche un’altra intuizione di Werner Arber, ossia che ogni tipo di enzima è in grado di riconoscere sequenze differenti di DNA. Oggi le ricerche scientifiche hanno portato a riconoscere tre famiglie di enzimi di restrizione, chiamati di tipo I, tipo II, tipo III, distinti sulla base del meccanismo con cui agiscono, e che ciascuno di essi si lega ad una particolare regione del DNA, chiamata sito di restrizione.

Contributo scientifico

Abbiamo già approfondito i principali contributi nel mondo della ricerca scientifica attribuiti a Hamilton Smith durante la sua carriera. Sicuramente, il contributo principale è stato quello della scoperta del primo enzima di restrizione che lo portò a vincere successivamente il premio Nobel per la Medicina nel 1978.

Hamilton Smith, fotografia del "Nobel Foundation archive" 1978 — *Figura 2 – Hamilton Smith, fotografia del “Nobel Foundation archive” 1978 [Fonte: nobelprize.org]*

Oltre a questo, Hamilton Smith ha collaborato allo sviluppo della biologia sintetica con la creazione in laboratorio della prima cellula artificiale, caratterizzata da un genoma sintetico.

Riconoscimenti

All’inizio del dicembre 1978 Hamilton Smith insieme a Werner Arber, e a Dan Nathans ritirarono il premio Nobel per la Medicina “per la scoperta degli enzimi di restrizione e la loro applicazione ai problemi della genetica molecolare”.

A Stoccolma nella sala dedicata alle conferenze per i Nobel, Peter Reichard spiegò la scoperta degli enzimi di restrizione in maniera del tutto informale traendo spunto dall’annuncio fatto la sera precedente dai telegiornali svedesi: “questa ricerca apre la possibilità di ottenere in laboratorio copie di esseri umani, di costruire degli individui geniali, oppure di produrre in massa operai, o ancora di creare dei criminali.”

Inoltre, più recentemente, Hamilton Smith ha ricevuto anche il seguente riconoscimento:

Premio Principe delle Asturie per la ricerca scientifica e tecnica (Spagna) nel 2001 insieme a Jean Weissenbach, Craig Venter, John Sulston, Francis Collins.

Comunicato stampa del 22-12-2020

Il JCVI ha comunicato il ritiro di Hamilton Smith ufficialmente a partire dal 31/12/2020 all’età di 89 anni. Mantiene comunque un “ruolo consultivo come professore emerito” all’interno del JCVI. A questo proposito, Craig Venter ha dichiarato:

“È stato un onore per tutta la vita lavorare al fianco di Ham. Il nostro incontro casuale quasi tre decenni fa ha cambiato la mia vita, la traiettoria del mio lavoro e l’arco della scienza genomica in modi profondi che non possono essere sopravvalutati. Quando ci siamo incontrati, Ham era sul punto di andare in pensione. Nessuno di noi sapeva che il suo più grande – il nostro più grande – lavoro doveva ancora venire. Sarò per sempre grato al mio migliore amico per i suoi incommensurabili contributi a JCVI.“
Craig Venter.