Herman Moritz Kalckar

Publiceret Oktober 2001
Herman Moritz Kalckar
Herman M. Kalckar

Herman Moritz Kalckar blev født 26. marts 1908 og voksede op i, hvad han selv betegnede som et relativt beskedent jødisk - dansk borgerligt hjem. Familien havde levet i Danmark i flere generationer. Begge forældre var meget belæste, talte fransk og tysk, og var hjemme i både dansk litteratur og i verdenslitteraturen. Forældrene var meget musikalske. Hans mor var en dygtig pianist, og hans far var en ivrig koncertgænger. HMK fik undervisning i klaverspil og blev tidligt introduceret til den klassiske musik. Han fik således fra barndommen interesse for og en dyb indsigt i både litteratur og musik, en indstilling som han bevarede livet igennem.

Han blev student fra Østre Borgerdyd Skole. Det var en skole med gode lærere i både humaniora og naturvidenskab, men efter studentereksamen valgte han naturvidenskab som sit fag og blev medicinstuderende. Sin videnskabelige karriere begyndte han, da han i 1933 som nybagt kandidat fik deltidsansættelse på Medicinsk-Fysiologisk Institut hos professor Ejnar Lundsgaard. Hans virke som forsker kom til at dække en tidsperiode med en enorm udvikling af vor viden om cellebiologi, en udvikling som han selv bidrog til på væsentlige områder.

Det er svært i dag at forestille sig, hvor lidt man i 1933 vidste om cellernes energistofskifte. Glykolysen blev regnet som den bærende proces ved cellernes energikrævende  reaktioner, men Lundsgaard havde netop vist, ved forsøg med isolerede frømuskler, at selv om glykolysen blev hæmmet ved inkubation med jodacetat, kunne der stadig forekomme muskelkontraktioner, men nu skete det på bekostning af nedbrydning af creatinfosfat. Denne energirige fosfatforbindelse var nylig påvist og karakteriseret af Cyrus Fiske .

Lundsgaards forsøg vakte stor interesse, ikke mindst hos Frits Lipmann, der i 1932 kom til Danmark fra det nazistiske Tyskland. Med sig bragte han sin interesse for og sin viden om fosforyleringsreaktioners betydning i energistofskiftet og om de såkaldte energirige fosfatforbindelser, der bl.a. blev dannet under glykolysen, Denne glykolyse kan forløbe anaerobt, men allerede Pasteur havde vist, at aerob glykolyse er en meget mere effektiv nedbrydningsproces end den anaerobe. Enkelthederne ved disse oxidationsprocesser var dog endnu et ukendt område.

Oxidativ fosforylering

HMK fattede interesse for Lundsgaards forsøg, og opmuntret af Lipmann begyndte han en systematisk undersøgelse af esterificering af fosfat i cellefri ekstrakter af nyrebark. Valget af dette væv og ikke det metabolisk mere aktive duebrystmuskelvæv skyldtes iflg. hans eget udsagn hans uvilje mod selv at slå dyr ihjel. Friskt nyrevæv kunne han til stadighed få leveret fra andre forsøg, der foregik på  instituttet. Celleekstrakterne blev inkuberet  med fosfat og forskellige kulhydrater i Warburg manometerkar, og oxygenoptagelsen samt  dannelsen af esterbundet fosfat blev målt. Alle kulstofkilderne gav anledning til en oxygen-afhængig esterificering af fosfat, hvor P/O ratio varierede fra 1 - 1,5.  Inkubation af dicarboxylsyrer som succinat eller fumarat resulterede i dannelse af fosfoenol-pyrodruesyre, PEP, en meget reaktiv fosfatforbindelse, der netop var blevet isoleret af Lohmann og Meyerhof som mellemprodukt ved glykolysen. Fra dr. Ostern i Lwow i Polen modtog han en (dengang) meget sjælden gave, en lille prøve af 5'-adenylsyre, og han viste, at denne forbindelse i tilsvarende forsøg omdannedes til ATP.

HMK's forsøg viste tydeligt, at de cellefri ekstrakter katalyserede fosforylerings-reaktioner, der var afhængige af oxygen, men uafhængige af glykolysen.  Forsøgene blev publiceret i 1938 og dannede grundlag for hans disputats i 1939. Hans resultater vakte international interesse, og i 1939 fik han tildelt et stipendium som Rockefeller Research Fellow. Han videreførte aldrig senere disse første eksperimenter, men hans resultater blev et af grundlagene for de næste årtiers systematiske undersøgelser over den oxidative fosforylering. Og han forblev stærkt optaget af cellernes energi-stofskifte. Det resulterede i flere oversigtsartikler om dette emne, senest i 1974 en omfattende, delvis historisk, gennemgang af emnet.

Studieophold i USA

HMK valgte  i første omgang California Institute of Technology for sine studier. Det var efter råd af Kaj Linderstrøm-Lang, der var proteinkemiker, og som personligt kendte flere af de fremragende forskere, der var knyttede til dette institut, bl.a. Linus Pauling. HMK tilbragte det næste år i dette aktive og stimulerende miljø, og han fik også lejlighed til at deltage i det meget berømmede kursus i mikrobiologi, som blev afholdt i Pacific Grove hver sommer, ledet af Dr. Cornelis van Niel.

Under sin rejse til Pasadena havde HMK bl.a. gjort ophold i St.Louis og havde der besøgt Carl og Gerty Cori på Washington University. De havde i 1936 fra muskelvæv isoleret et enzym, glykogen fosforylase, som katalyserede en reversibel fosforolytisk spaltning af glykogen under dannelse af  glukose-1-fosfat. Samtalerne med Cori bestyrkede HMK i hans ideer om fosforyleringsprocessernes vitale betydning i cellerne, også ud over den oxidative fosforylering. Da Danmark i 1940  blev besat af de tyske tropper, og det stod klart, at HMK ikke kunne vende tilbage foreløbig, var det derfor med glæde han tog  imod en opfordring fra Cori til at tilslutte sig gruppen i St.Louis. Hans ønske var nu at arbejde med de enkelte enzymer, i lighed med Coris arbejde med glykogen fosforylasen.

Nukleosid- og nukleotidstofskiftet

I samarbejde med Sidney Colowick isolerede og karakteriserede han nu enzymet myokinase i muskelvæv. Myokinase reaktionen:

Adenylsyre (AMP) + Adenosintrifosfat (ATP) ↔ 2 Adenosindifosfat (ADP)

er en vigtig faktor i cellernes energistofskifte, idet den tillader en udnyttelse af begge de energirige fosfatbindinger i ATP og samtidig kan forhindre, at adeninnukleotider gennem en deaminering  af AMP forsvinder ud af energistofskiftet.

Påvisningen af dette enzym, nu benævnt adenylat kinase, øgede HMK's interesse for cellernes omsætning af nukleinsyre derivater. Hans navn var nu blevet  kendt, og i 1943 fik han tilbudt en stilling som Research Associate ved Public Health Institute i New York.  En stor attraktion ved det nye arbejdssted var nyt apparatur, specielt det netop udviklede Beckman UV spektrofotometer. Under arbejdet med myokinasen havde HMK forstået, at et hurtigt og følsomt assay er tvingende nødvendigt ved oprensning og videre undersøgelse af et enzym. Det nye spektrofotometer inspirerede HMK til udvikling af en række specifikke analysemetoder, hvor han udnyttede de spektrale forskelle mellem de forskellige nukleinsyrebaser til at følge de enzymatiske omsætninger af nukleosider og nukleotider. Han brugte også denne differentielle spektrofotometri til at følge oprensning af de pågældende enzymer fra plasma eller væv.

Det var vist tidligere, at hydrolyse af nukleosidet inosin kunne stimuleres af fosfat. Inspireret af Coris glykogen fosforylase viste HMK nu, at "hydrolysen " af nukleosidet i virkeligheden var en fosforolyse, analog med fosforolysen af glykogen:

ribose-hypoxantin  + uorganisk fosfat ↔ ribose-1-fosfat + hypoxantin

Han viste endvidere, at ligevægten for denne reversible reaktion er forskudt til fordel for syntese af nukleosidet. På et tidspunkt hvor syntesevejene for purin- og pyrimidinnukleotider endnu var ukendte, var denne syntese af et nukleosid af stor interesse. I dag karakteriseres enzymet dog som et "salvage" enzym, der kan medvirke ved genbrug af nedbrydningsprodukter fra nukleinsyrerne.

I 1947 vendte HMK tilbage til Danmark. Det skete efter opfordring fra Ejnar Lundsgaard, der i sit eget institut stillede laboratorieplads og andre faciliteter til rådighed. Et nyt universitetsinstitut blev formelt oprettet og fik navnet Cytofysiologisk Institut. Den økonomiske støtte kom dels fra universitetet, dels fra Carlsbergfondet, Rockefeller Foundation og forskellige private (amerikanske) fonde. Marshallfonden støttede indkøb af en del apparatur. Økonomien var god og tillod anskaffelse af moderne og tidssvarende udstyr, såsom UV spektrofotometre, nye centrifuger, heriblandt en præparativ ultracentrifuge,  Geiger-Müller tællere osv. Der blev dog ikke oprettet noget nyt professorat til HMK, men han fik titlen direktør, en titel han ikke brød sig synderligt om.

Instituttets forskning drejede sig hovedsageligt om nukleotid- og nukleosidstofskiftet, og i de næste år blev det nye institut et internationalt center for denne forskning. Et stort antal unge forskere fra USA og Europa søgte  hertil, heriblandt to senere nobelpristagere, Jim Watson og Paul Berg. Også danske studerende kom til, først og fremmest Hans Klenow og Niels Ole Kjeldgaard. HMK fortsatte sine studier af forskellige nukleinsyrederivater, idet han introducerede sine nye spektrofotometriske metoder. Det var også her i København, at HMK begyndte de undersøgelser omkring galaktoseomsætningen i eukariote og prokariote celler, som skulle optage ham i den næste årrække..

Forskningsmulighederne i København tilfredsstillede dog ikke helt HMK's ønsker, til trods for det store antal unge forskere, danske såvel som udenlandske, der søgte til hans institut. Han savnede det progressive og intensive forskningsmiljø, som han havde oplevet i USA, hvor forskningscentrene var større og flere. Da han i 1952 fik tilbud fra National Institutes of Health i Bethesda i USA om ansættelse, først som visiting scientist og senere i en permanent stilling, accepterede han tilbudet. Hans første arbejder med galaktose stammer derfor dels fra København, dels fra USA.

Galaktoseomsætningen

Luis Leloir havde i 1951 vist, med gærarten Saccharomyces fragilis som udgangsmateriale, at omdannelse af galaktose til glukose, en forudsætning for cellernes udnyttelse af galaktose, involverede en hidtil ukendt type nukleotid som mellemled. Omdannelsen af galaktose  til glukose indebærer en epimerisering ved kulstofatom nr. 4 i hexoseringen, og Leloir viste, at selve  epimeriseringen krævede galaktose i en specifikt aktiveret form , i.e. esterificeret med uridin difosfat:

uridin difosfat galaktose (UDPGal) ↔ uridin difosfat glukose (UDPGlu)

I de følgende år gennemførte HMK og hans medarbejdere undersøgelse og karakterisering af enzymerne ved denne omdannelse, både i gær og i  mammale celler. I humane celler er reaktionerne:

Galaktose+ATP → gal-1-P+ADP (1)

gal-1-P+UDPGlu ↔ UDPGal+ glu-1-P (2)

UDPGal → UDPGlu (3)

sum Galaktose + ATP → glu-1-P+ADP

Med sin medicinske baggrund havde han set de større perspektiver omkring galaktose omsætningen i mammale celler. På National Institutes of Health, der havde et tilknyttet hospital, fik han kontakt med dr. Kurt Isselbacher, der blandt sine patienter havde et barn, der led af galaktosæmi. Denne arvelige sygdom gør patienterne ude af stand til at nedbryde galaktose, som herefter virker toksisk i cellerne. I samarbejde med Isselbacher viste HMK,  at sygdommen skyldtes en defekt i enzym (2).  Hvis børn med galaktosæmi holdes på en galaktose-fri  diæt fra fødslen, kan de udvikle sig normalt. Der blev derfor udarbejdet en klinisk test til screening af nyfødte børns blod  for ovennævnte enzym (2),  således at en eventuel behandling kan sættes ind straks efter fødslen.

Cytofysiologisk Institut 1950
Cytofysiologisk Institut 1950. Øverst fra venstre: Gunther Stent, Niels Ole Kjeldgaard, Hans Klenow, Jim Watson, Vincent Price. Nederst fra venstre: Herman M. Kalckar, Audrey Jarnum, Jytte Heisel, Eugene Goldwasser, Walter McNutt, E. Hoff-Jørgensen (på gæsteoptræden).

I 1956 accepterede HMK et professorat  ved Johns Hopkins University i Baltimore, men allerede i 1961 overtog han efter Lipmann et professorat  i  biologisk kemi ved Massachusetts General Hospital i Boston.

Han var stadig optaget af galaktoseomsætningen,men koncentrerede sig nu om bakterieceller. På et tidligt tidspunkt var han begyndt at interessere sig for cellemembranernes opbygning og funktion, et dengang ret uudforsket område. Han kaldte det ektobiologi, et udtryk som dog aldrig slog an. Det gjorde derimod hans tanker og ideer om dette felt, som det skulle vise sig helt specifikt i forbindelse med hans galaktose studier. Hans medarbejder, Winfried Boos, havde studeret galaktose transport i E.coli og havde her bl.a. isoleret et galaktose bindingsprotein, lokaliseret i det periplasmiske rum, dvs. mellem cellernes ydre og indre membran. På dette tidspunkt havde  Julius Adler i Wisconsin, der arbejdede med kemotaxi i E coli, påvist en kemotaktisk receptor for galaktose, også lokaliseret i periplasmaet. HMK så straks sammenhængen mellem de to funktioner i cellerne og foreslog Boos og Adler at "bytte" mutanter, både positive og negative, og krydsteste dem. Det tog nogen tid at få de to forskere overtalt, men den endelige test viste klart, at kemoreceptoren og bindingsproteinet var identiske.

HMK rettede nu sin interesse mod tumorbiologi, eller mere specifikt  membran transport af kulhydrater i normale og transformerede celler. Disse forsøg fortsatte han, også efter at han i 1974 måtte trække sig tilbage som chef for the Biochemical Laboratory ved Harvard Medical School. Han forblev endnu nogle år ved Harvard, nu på the Huntington Laboratories. I 1979 flyttede han til Department of Chemistry ved Boston University, hvor han som "distinguished research professor" beholdt teknisk assistance og fondsmidler lige til sin død  17. maj, 1991.

Årene i Danmark

Det var kun få år af HMK's forskerkarriere, der blev tilbragt i Danmark, men han fik stor indflydelse på udviklingen her. Som nævnt tiltrak han et stort antal unge forskere, både udlændinge og danskere. Hans institut summede af aktivitet, og HMK var den karismatiske leder, om end hans lederskab var af en ganske speciel karakter. Han deltog gerne i kongresser og møder, og  han havde en sjælden evne til at skabe kontakter overalt i den videnskabelige verden, hvor nye fremskridt måtte finde sted. Det gav ham en næsten profetisk fornemmelse for hvilken vej, udviklingen ville gå, og hele instituttet fik del i hans viden og indsigt. Sine tanker udtrykte han gerne i monologer, der ikke altid var så lette at forstå, bl.a. fordi hans monolog ofte startede midt i en af hans egne tankerækker. Men det lønnede sig at høre efter, og man blev smittet af hans begejstring for nye landvindinger, selv om også den kunne være udtrykt i lidt kryptiske vendinger.

Cytofysiologisk Institut 1953
Cytofysiologisk Institut 1953. Herman M. Kalckar som midtpunkt i sin gruppe.

Hans personalhistoriske viden var stor, og de personlige kontakter strakte sig helt tilbage til Gerhardt Schmidt og Otto Warburg.  Med sin særegne blide humor kunne han i et par sætninger karakterisere biokemiens forskellige koryfæer, de afdøde såvel som de endnu levende.

I laboratoriet var han måske ikke selv den store eksperimentator, men han havde et meget skarpt blik, dels for betydningen af hurtige og pålidelige assays, dels for de muligheder, som den hastige udvikling af sofistikeret teknisk apparatur skabte til fremme for hans forskning.

HMK var altid generøs  overfor medarbejdere og kolleger. Der herskede en meget demokratisk ånd på hans institut, hvilket var nyt på den tid. Studenter, laboranter, videnskabeligt personale, han forstod at inddrage alle i instituttets arbejde og liv, bl.a. med hyppige sociale sammenkomster. For os danske medarbejdere betød det, at vi knyttede gode og varige forbindelser med udenlandske forskere, kontakter  vi har haft stor glæde af i årene, der er gået.

I 1953 flyttede han til USA for bestandig, men han opretholdt sin forbindelse med dansk biokemi, dels gennem sine tidligere medarbejdere, dels gennem Carlsberg Laboratoriet, som han altid havde haft en tæt kontakt med, og han besøgte Danmark så ofte som muligt. Trods udlændigheden forblev han livet igennem præget af sin opvækst og uddannelse i Danmark, og til det sidste omfattede han Danmark og dansk kultur med stor trofasthed.

Resumé

HMK's Forskningsarbejde begyndte i trediverne med påvisning af oxidative fosforyleringsprocesser i celleekstrakter. Han studerede dernæst forekomst og betydning af fosforolytiske reaktioner i cellernes nukleosid- og nukleotidstofskifte. Senere redegjorde han og hans medarbejdere for galaktoseomsætningen i prokariote celler og i eukariote celler, i de sidstnævnte celler et område af stor medicinsk betydning. I de seneste arbejder viste han, at hexose transport i fibroblaster er underkastet en regulering, der er afhængig af cellernes oxidative stofskifte.

Der var en tydelig linie i forløbet af hans forskning op gennem årene, og den sidste sætning i hans selvbiografi, der udkom kort efter hans død, var meget dækkende: "Thus ends my story about oxidative energized biological phosphorylation systems".