Esther Zimmer nació en una familia pobre del Bronx y entró al Hunter College al final de la Gran Depresión. Tenía la intención de estudiar literatura o francés, pero finalmente se decidió por la ciencia. Tras sus estudios universitarios trabajó como profesora asistente en Stanford mientras cursaba su máster.
En 1946, se casó con Joshua Lederberg y se unió a él en la Universidad de Wisconsin, donde obtuvo su doctorado. Allí descubrió el bacteriófago lambda, empezó a investigar sobre la relación entre la transducción y el ciclo lisogénico de dicho fago, descubrió el factor de fertilidad de E. coli junto a Luigi Luca Cavalli-Sforza, ingenió la primera implementación exitosa del método de réplica en placa junto a Joshua Lederberg, y ayudó a descubrir y entender los mecanismos genéticos de la transducción especializada. Estas contribuciones fueron la clave de gran parte del trabajo posteror en genética. Por estos logros en el campo de la genética bacteriana, Joshua junto a George Beadle y Edward Tatum, fueron galardonados con el Nobel de Fisiología o Medicina en 1958. No hubo menciones para Esther.
En 1959, los Lederberg regresaron a Stanford, donde Joshua Lederberg fundó el departamento de genética. Esther presionó al decano de la Escuela de Medicina para que la nombrara miembro de la facultad. En matrimonio se disolvío en 1966. Esther volvería a casarse en 1989.
Desde 1976 hasta 1985, Esther Lederberg dirigió el centro de referencia de plásmidos de Stanford, y continuó trabajando en el laboratorio incluso después de retirarse como directora.
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