Scienziate che avrebbero dovuto vincere il Premio Nobel: Maud Leonora Menten (1879-1960)

Rinaldo Cervellati

Tutti i chimici e i biochimici hanno incontrato, nel loro percorso di studi l’equazione di Michaelis-Menten, che interpreta la velocità delle reazioni catalizzate da enzimi attraverso i due parametri V_max e K_m e definisce l’efficienza di un enzima come il rapporto k_cat/K_m.

Non tutti sanno però che Menten era una donna, precisamente Maud Leonora Menten.

Nata il 26 luglio 1860 a Port Lambton, Ontario (Canada), poco si sa della sua famiglia e della sua infanzia, è certo comunque che si spostarono da Port Lambton a Harrison Mills, nella British Columbia dove la madre lavorò come impiegata postale.

Maud Menten a 7 anni

Dopo aver completato gli studi secondari, Menten frequentò gli studi di medicina all’università di Toronto, ottenendo il B.A. nel 1904 e il M.A. in fisiologia nel 1907. Durante gli studi lavorò come esercitatore nel laboratorio di fisiologia dell’università.

Come studentessa di talento, in grado di applicarsi per molte ore al giorno, Menten ottenne una borsa di ricerca al Rockefeller Institute for Medical Research di New York nel 1907. Qui studiò l’effetto del bromuro di radio sui tumori cancerosi nei ratti, insieme a altri due ricercatori pubblicarono i risultati nella prima monografia dell’istituto [1]. Dopo l’Istituto Rockefeller, Menten fece un breve stage presso l’Infermeria di New York per donne e bambini, quindi tornò a Toronto per concludere gli studi di medicina. Nel 1911 divenne una delle prime donne canadesi a ricevere il Medicine Doctor (MD)[1].

Menten in laboratorio

L’anno seguente Menten si recò a Berlino per studiare il meccanismo di azione degli enzimi con il biochimico tedesco, Leonor Michaelis[2], in un ospedale municipale di Berlino, dove Michaelis aveva accettato un posto di batteriologo ma si occupava anche, insieme all’amico chimico Peter Rona, di problemi chimico-fisici. Secondo A. Cornish- Bowden [2]: “ci sono pochi dubbi che il suo interesse [di Menten] nel lavorare con Michaelis e nell’ottenere un dottorato in biochimica fosse motivato dalla convinzione che un’approfondita conoscenza della biochimica sarebbe stata fondamentale per il progresso nella ricerca medica che costituiva il suo obiettivo a lungo termine.”

Michaelis e Menten studiarono in dettaglio la reazione di inversione del saccarosio (substrato) in glucosio e fruttosio (prodotti) catalizzata dall’enzima[3] invertina (poi chiamato invertasi). Lavorarono in ambiente tamponato a pH e temperatura costante, seguendo l’andamento della reazione per via polarimetrica. In base all’ipotesi che il saccarosio e l’enzima formino un composto (intermedio) molto labile che rapidamente evolve nei prodotti[4], formularono un modello che sviluppato matematicamente forniva curve velocità di reazione vs. concentrazione del substrato in ottimo accordo con i dati sperimentali. L’equazione che svilupparono, formalmente proposta nel 1912 e pubblicata nel febbraio 1913 [3], è ora chiamata in tutti i testi di cinetica e biochimica come equazione di Michaelis-Menten.

Menten e Michaelis

Essi determinarono il valore della costante k (K_s), senza quello di V_max in base all’andamento della velocità della reazione (in termini di unità di gradi di rotazione ottica al minuto) a diverse concentrazioni iniziali di saccarosio con un procedimento matematico lungo e abbastanza complicato. Michaelis e Menten andarono poi oltre l’analisi limitata al saccarosio, rendendosi conto che il legame substrato-enzima poteva estendersi anche ai prodotti della reazione, fruttosio (F) e glucosio (G), quindi si rendeva necessario estendere il modello per testarne la validità. Cosa che infatti fecero con successo anche su miscele saccarosio/mannitolo e saccarosio/lattosio [3c].

Per il loro trattamento matematico, Michaelis e Menten considerarono il legame saccarosio-invertasi all’equilibrio durante il corso della reazione. L’equazione originale è leggermente diversa da quella che conosciamo [4]. Viene generalmente applicata l’approssimazione dello stato stazionario all’intermedio substrato-enzima, metodo introdotto per l’analisi dei modelli cinetici solo dopo la pubblicazione del lavoro dei due scienziati, più precisamente da David Chapman e Max Bodenstein che la sviluppò nello stesso 1913 applicandola al meccanismo a catena nei casi di particolari reazioni consecutive [5].

L’applicazione dell’approssimazione dello stato stazionario al modello di Michaelis-Menten, così come lo presentiamo oggi ai nostri studenti, è dovuta a G. Briggs e J. Haldane [6].

1. Johnson [4], autore di una interessante rivisitazione dell’ articolo originale Di Michaelis e Menten si dice sorpreso che i due ricercatori, così abili in matematica, non abbiano pensato a linea rizzare la loro equazione facendone il reciproco. Essi avevano già raggiunto il risultato eccezionale della caratterizzazione delle cinetiche enzimatiche attraverso la K_s. Fatto sta che ci vollero più di venti anni prima che l’idea venisse sviluppata da H. Lineweaver e D. Burk [7] con il loro famoso diagramma chiamato del doppio reciproco. Graficando 1/v contro 1/[S], i punti sperimentali sono ben interpolati da una retta che, estrapolata fino a incontrare gli assi fornisce i valori 1/V_max e –1/K_s, intercette con x e y rispettivamente, con coefficiente angolare K_s/V_max. Un metodo davvero molto semplice per ottenere i due parametri caratteristici di una cinetica enzimatica, curioso è il fatto che il loro articolo è ancora il più citato (più di 11000 citazioni) fra quelli apparsi sul Journal of the American Chemical Society.

Tuttavia l’equazione di Michaelis-Menten resta la base dell’enzimologia moderna, ed è stato (e è ancora) il punto di riferimento per la maggior parte degli studi cinetici sulle reazioni enzimatiche. Inoltre, lo sviluppo di molti farmaci e forme farmaceutiche nel XX secolo a oggi non sarebbe stato possibile senza lo studio pionieristico di Michaelis e Menten. Si deve anche considerare che nel 1913 si sapeva poco sull’azione degli enzimi, inclusa la loro natura chimica.

Sebbene il merito della ricerca sia da attribuire in egual misura a entrambi i ricercatori, per molto tempo Maud Menten fu considerata semplicemente come “assistente” di Micaelis e la costante K_s, indicata con K_m viene in generale chiamata costante di Michaelis. Ciò, secondo R. Skloot [8] è dovuto in gran parte al fatto che nell’articolo pubblicato, al nome Maud L. Menten viene premesso il titolo “Miss”. Ma, più plausibilmente io ritengo che la sottovalutazione del contributo di Menten sia dovuto all’”effetto Matilda” di cui ho parlato in un precedente post. Quel “Miss” potrebbe anche significare che Menten non aveva ancora ottenuto il Ph.D. il che casomai ne valorizzava il contributo (v. nota 1).

Dopo il periodo berlinese, Menten si recò negli Stati Uniti a Cleveland, dal 1915 al 1916 studiò fenomeni collegati all’insorgenza di tumori alla Western Reserve University nel laboratorio di George W. Crile, il primo chirurgo a effettuare con successo una trasfusione diretta di sangue. Durante lo stesso periodo si iscrisse all’Università di Chicago, dove nel 1916 conseguì il dottorato in biochimica discutendo una tesi sull’alcalinità del sangue nei tumori e in altre patologie.

Successivamente, dal 1918 al 1950 ha lavorato all’Università di Pittsburgh nella School of Medicine diventando prima professore assistente, poi professore associato e direttore del Reparto di Patologia dell’Ospedale Pediatrico di Pittsburgh, fu infine nominata full professor nel 1948. In questo lungo periodo Menten ha effettuato numerose ricerche applicando le sue conoscenze chimico fisiche in campo medico (ematologia, patologia, chemioterapia), pubblicando circa un centinaio di articoli, realizzando così il progetto che si era prefissa con il periodo berlinese. Fra le altre, ha studiato la reazione dei coloranti azoici per la fosfatasi alcalina, ancora utilizzata in istochimica [9], ha caratterizzato le tossine batteriche da B. paratyphosus, Streptococcus scarlatina e Salmonella ssp., utilizzate con successo in un programma di immunizzazione contro la scarlattina. Ha anche condotto la prima separazione elettroforetica delle proteine emoglobiniche, ha lavorato sulle proprietà dell’emoglobina, sulla regolazione del livello di zucchero nel sangue e sulla funzione renale [10]. Altre ricerche hanno riguardato le ossidasi [11], la vitamina C [12], l’istochimica del glicogeno e gli acidi nucleici nel midollo osseo.

Dopo il pensionamento continuò per alcuni anni a lavorare in Canada, all’Istituto di Ricerche Mediche della British Columbia. Muore nel 1960 all’età di 81 anni.

Menten aveva una capacità di lavoro non comune, in certe occasioni era in grado di lavorare per 18 ore consecutive al giorno. Come se non le bastassero gli impegni di lavoro, essa aveva anche una varietà di interessi al di fuori della scienza. Amava la musica, era una brava clarinettista, pittrice e linguista (parlava russo, francese, tedesco, italiano e almeno una lingua dei nativi americani).

Omaggio a Maud Menten

Nel necrologio per Nature, A. Stock e A-M Carpenter [13] scrivono di lei:

Menten era instancabile nei suoi sforzi a favore dei bambini malati, era un’insegnante eccellente che sapeva come stimolare studenti, medici e colleghi di ricerca, sarà da questi a lungo ricordata per la mente acuta e l’ingegno, per la dignità dei modi, per la modestia discreta, e soprattutto per il suo entusiasmo nella ricerca.

Bibliografia

[1] Jobling, J W; Flexner, Simon; Menten, Maud L (1910). Tumors of animals. Rockefeller Institute for Medical Research.

[2 ] A. Cornish-Bowden, Part 2: Maud Leonora Menten (1879–1960): her career as an experimental pathologist., in: Ute Deichmann et. Al. Commemorating the 1913 Michaelis–Menten paper Die Kinetik der Invertinwirkung: three perspectives. FEBS Journal, 2014, 281, 435–463.

[3] a) L. Michaelis, Miss M.L. Menten, Die Kinetik der Invertinwirkung, Biochemische Zeitschrift, 1913, 49, 335–369. Trad. Ingl. T.R.C. Boyde in FEBS Letters, 2013, 587, 2712–2720; b) R.S. Goody, K.A. Johnson (translated by), The Kinetics of Invertase Action (Die Kinetik der Invertinwirkung, Von L. Michaelis and Miss Maud L. Menten,

Fai clic per accedere a The%20Kinetics%20of%20Invertase%20Action-1.%20Translation%20of%20Michaelis%20Menten..pdf

[4] K.A. Johnson, R.S. Goody, The Original Michaelis Constant: Translation of the 1913 Michaelis− Menten Paper, Biochemistry, 2011, 50, 8264-8269.

http://dsec.pku.edu.cn/~tieli/notes/stoch_topics2015/MMHist.pdf

[5]  M. Bodenstein, Eine Theorie der photochemischen Reaktionsgeschwindigkeiten, Z. Phys. Chem., 1913, 85, 390–421.

[6] G.E. Briggs, J.B.S. Haldane, A note on the kinetics of enzyme action. Biochem. J., 1925 19, 338−339.

[7] H. Lineweaver, H., D. Burk, The determination of enzyme dissociation constants. J. Am. Chem. Soc. 1934, 56, 658−666.

[8] R. Skloot, Some called her Miss Menten,

http://smilesandvials.tumblr.com/post/105938755686/some-called-her-miss-menten-rebecca-skloot

1. anche: K. Rogers, Maud Leonora Menten, https://www.britannica.com/biography/Maud-Leonora-Menten

[9] a) M.L. Menten, J. Junge, M.H. Green, Distribution of alkaline phosphatase in kidney following the use of histochemical azo dye test, Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine. 1944, 57, 82–86; b) M.L. Menten, J. Junge, J., M.H. Green, A coupling histochemical azo dye test for alkaline phosphatase in the kidney, Journal of Biological Chemistry, 1944, 153, 471–477.

[10] M.A. Andersch, D.A. Wilson, M.L. Menten, (1944). Sedimentation constants and electrophoretic mobilities of adult and fetal carbonylhemoglobin. Journal of Biological Chemistry, 1944, 153, 301–305.

[11] M.L. Menten, A study of the oxidase reaction with a-naphthol and paraphenylenediamine,  Journal of Medical Research, 1919, 40, 433 – 457.

[12] C.G. King, M.L. Menten, The influence of vitamin C level upon resistance to diphtheria toxin I. Changes in body weight and duration of life, Journal of Nutrition, 1953, 10: 129–140.

[13] A. Stock, A.-M. Carpenter, Prof. Maud Menten. Nature,1961, 189 (4769), 965.

[1] In Canada, il M.D. è il diploma in medicina richiesto per praticare la professione. Anche se il M.D. è un diploma professionale e non un dottorato di ricerca, molti M.D. conducono ricerche scientifico cliniche, pubblicano su riviste specializzate e sono generalmente chiamati medici-ricercatori.

[2] Leonor Michaelis (1874-1949) biochimico, chimico-fisico e medico fisiologo iniziò a occuparsi di enzimologia nel 1904 pubblicando il primo lavoro sul meccanismo degli enzimi nel 1907 (E. Abderhalden, L. Michaelis, Der Verlauf der fermentativen Polypeptidspaltung. Hoppe-Seyler’s Z Physiol Chem 1907, 52, 326–337). E’ considerato uno dei fondatori della biochimica moderna (chiamata allora chimica fisiologica) per le sue ricerche che spaziano dalle proteine alle membrane cellulari fino alla biochimica dei mitocondri. Ebreo, amico di Einstein, fu poco riconosciuto in Germania dove gli fu negata la posizione di professore universitario. Fu professore di biochimica prima in Giappone e poi negli USA, alla Johns Hopkins University of Baltimora e infine a New York al Rockefeller Institute for Medical Research. (v. [2])

[3] Nell’articolo originale in tedesco Micaelis e Menten si riferisco al’enzima con il termine “ferment”. Tuttavia la parola “enzima”, fu introdotta nel 1878 dal fisiologo tedesco Wilhelm Kühne (1837-1900) e largamente usata in lingua inglese.

[4] Questa ipotesi fu fatta da Victor Henri (1872-1940) chimico fisico francese di origine russa che in base a essa cercò di ricavare un’equazione fra velocità di reazione e concentrazione del substrato. Egli però, come fecero notare Michaelis e Menten, trascurò l’influenza di H+ e la lenta mutarotazione dei prodotti. A causa di ciò non riuscì a confermare la sua equazione. Henri fu autore di numerose ricerche in campo biochimico e fisiologico e è considerato comunque un pioniere della cinetica enzimatica.