Protein Data Bank 50年回顾（下四）：Wüthrich & 蛋白质的核磁共振解析

• 1982化学奖：晶体电子显微学&核酸蛋白复合体
• 1988化学奖：膜蛋白结构&光合作用中心
• 1997化学奖：ATP的生物合成机理 & 钠钾泵
• 2002化学奖：生物大分子结构解析与分析
• 2003化学奖：细胞膜通道
• 2006化学奖：真核转录的分子生物学机理
• 2009化学奖：核糖体结构
• 2012化学奖：GPCR
• 2013化学奖：复杂化学体系的分子建模
• 2017化学奖：冷冻电镜
• 2018化学奖：酶演化
• 2020化学奖：基因编辑
• 2020生理学医学奖：丙肝病毒

2002年的诺贝尔化学奖一分为二：一半颁发给了弗吉尼亚联邦大学的美国化学家John Bennett Fenn(1917 － 2010)和日本岛津制作所的工程师田中耕一（日语：田中耕一／たなかこういち ^{TANAKA Kōichi}，1959－）；另一半颁发给了苏黎世联邦理工学院的瑞士化学家Kurt Wüthrich (1938 －)。

The Nobel Prize in Chemistry 2002 was awarded "for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules" with one half jointly to John B. Fenn and Koichi Tanaka "for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules" and the other half to Kurt Wüthrich "for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution."

当年最具传奇色彩的，当然也可能是最具争议的获奖者非田中耕一莫属——历史上唯一的仅有本科学历的诺贝尔奖得主。关于他，推荐10万+科普文：《43岁日本学渣竟拿下诺贝尔奖…逆袭后，他花16年做了一件意想不到的事》。田中和Fenn的贡献是生物大分子的质谱分析的软脱附离子化（soft desorption ionisation）方法。

本文主要介绍Wüthrich。

出生于瑞士小镇阿尔贝格的化学家Kurt Wüthrich因为发展了利用核磁共振 (NMR) 研究水溶液中生物大分子结构的方法而荣获2002年的诺贝尔化学奖。

Wüthrich幼年生活在山区的老式农场中，很早就从与大自然中的动植物的密集接触中启蒙了对自然科学的兴趣。特别地，他在对水生生物积累了详尽而充分的知识，并终身保持了垂钓的爱好。

Wüthrich在海明威曾加入的新西兰 Mercury Bay Game Fishing俱乐部（1987）

Wüthrich在14岁进入文理中学（德语：Gymnasium）并接受正规的学术训练。这时由于二战结束还不满10年，大量大学教授“流落”在各地民间中学。Wüthrich因此有幸接受到良好的数学、物理教育。同时，因为毗邻法国的缘故，他还修习了大量的法语、法国文学、法国戏剧和电影课程。

令Wüthrich颇感自豪的是体育课。在这一点上，文理中学 Gymnasium 回归了它的古希腊语γυμνάσιον（罗马化：gymnásion）本意：体育馆，给青年男子提供公共训练和竞赛，和进行社会化教育和智力辩论的地方。

Wüthrich在后来的大学里除了化学学位，还获得了体育教练学位，并作为运动员在瑞士足球联盟的球队中一直踢球到50岁。除了足球，他还长期在瑞士的山区度假胜地担任滑雪教练。经年累月的高强度专业甚至职业体育训练成为Wüthrich生活和工作的重要组成。

很多科学家有规律健身的习惯。钟南山院士80多岁一身横练肌肉，施一公50多岁半程马拉松1小时36分完赛，等等，这些是广为人知的例子。

小王的博士导师Tobin就是这样，作为一个土生土长的美国加州犹太人，热爱足球和西甲，每周都会约球，几十年的习惯。没有比赛的时候，他就去健身房推器械，踩椭圆机。日常和我们忆往昔峥嵘岁月稠：30岁上下，巅峰卧推120kg，全马3小时20分。——我信，Tobin在6年里因为踢球断过一次脚趾、扭过一次肩膀、伤过一次腿，太拼了。组里师兄弟们有样学样，下午到点走人，Alex力量举、Kevin足球、我跑步、Adam击剑、Nabil柔道。想来只有 Jumper 和 Josh 两个有家室的不运动。

除了强身健体，将身心投入户外广阔的天地间，治学传道的心态也会开阔许多。他们的学生可能因为导师的影响而进行体育锻炼。

科学家在1930 年代末在氢气分子束中初次观测核磁共振现象之后，于1940年代中接连在液相体系和固相体系中证明其存在；紧接着，1949年发现化学位移，1950年发现自旋-自旋耦合等进一步奠定核磁共振的理论基础。

硅谷的创业科学家罗素·瓦里安嗅觉灵敏地意识到NMR可能的分析化学功用，迅速开发出利用NMR原理的商用仪器，并将申请了核磁共振谱仪的商业专利。可以说，自1950起，核磁共振科学机制发现与阐明、科学应用开发与拓展、标准化商业仪器的更新与迭代，相辅相成，互相极大促进。（请见本篇尾：NMR小史）

Wüthrich对NMR的兴趣起于博士和博后期间的电子顺磁共振（EPR）的研究（1962 – 1967）。这之后，他开始用NMR研究生物大分子。Wüthrich正好赶上了NMR的研究和应用方兴未艾之时。—— 1957年耶鲁大学的Martin Saunders才首次将NMR应用于研究蛋白质（核糖核酸酶）。

利用NMR研究蛋白质的结构，相对X光射线衍射法，有明显的优势——水溶液中的蛋白质的结构比晶体阵列中的更接近其生理结构；通过改变溶液，可以研究蛋白质的变性、去折叠过程。

博士毕业后的第二年，1965年，Wüthrich来到伯克利，加入Robert E. Connick 的研究组接受博后训练。这期间，他的主要工作是通过群论和量子力学，发展核自旋弛豫的理论。

1967年，Wüthrich加入了贝尔电话实验室的生物物理部门，开始将工作重心转移到实验上，用当时的高分辨率NMR谱仪（220 MHz）研究蛋白质。那时，他的兴趣集中在血红素蛋白（hemoprotein）的金属原子中心。

血红素C

那时，科学家们已经知道：折叠的蛋白质的NMR谱线比组成相同的打开的多肽链中的残基的谱线之和复杂；蛋白质在不同条件下（如温度、溶液溶剂等）的不同构象拥有不同的NMR谱线。这令Wüthrich意识到，解析蛋白质的NMR谱线，从而获得其生理状态下的折叠构象结构，是一个充满挑战而又定义清晰的问题。

1984年，Wüthrich的研究团队利用NMR获得了第一个蛋白质（BUSI）的结构。然而，当Wüthrich在会议中展示他们成果时，迎接他的不是恭贺——同行们根本不信。

大家认为单纯NMR的数据不足以解析出蛋白质的三维结构，Wüthrich肯定是先用传统的晶体衍射方法解析了BUSI的一个结构相近的同源蛋白，在此基础上再推测了BUSI的结构。

Wüthrich组的Tim Havel和Mike Williamson在电脑前查看BUSI的3D结构（1984）。

BUSI 的2D-NMR谱图。

我们在之前的文章中介绍过马普所的Robert Huber（1988 Nobel Chemistry）。他是当时众多质疑批评Wüthrich结果的科学家之一。Huber向Wüthrich提议，两个实验室各自独立用X-ray衍射和NMR解析一个新结构：a-amylase inhibitor Tendamistat。

最好的打脸方式当然是做得比你更好。

Wüthrich不仅证明了NMR方法有效，而且，在这个结构上，甚至获得了比X-ray衍射法更佳的结果。—— 自此，学界认可了利用NMR谱图解析蛋白质结构的方法。

今天，溶液NMR和固体NMR等方法已经成为解析生物大分子结构的标准方法。

英国伯明翰大学理学部瓦里安公司900MHz核磁共振仪

Kurt Wüthrich师承很有趣。

Kurt于1964年从瑞士最古老的巴塞尔大学获得博士学位，导师是Silvio Fallab；Fallab唯一的导师是Hans Erlenmeyer (1900 - 1967)；Hans的导师是自己的父亲，小Emil Erlenmeyer (1864 - 1921)；小Emil的导师也是自己的父亲，老Emil Erlenmeyer (1825 - 1909)。

小Emil 最大的贡献是发现了Erlenmeyer–Plöchl吖内酯及氨基酸合成反应（Erlenmeyer-Plöchl azlactone and amino acid synthesis）。这个反应不专攻有机化学可能很难知道。

相比儿子，老Emil名气则大得多，除了发现烯醇 (enol) 互变法则，也称Erlenmeyer’s rule，他发明了锥形瓶(Erlenmeyer flask)！——所有化学和生物专业的学生直面过的锥形瓶。

（左）老Emil；（中）老Emil发明的锥形瓶；（右）孙子Hans。（我没找到儿子小Emil的资料图片。）

就完了吗？

老Emil 的七个兄弟姐妹中有个哥哥叫Adolph Albrecht Erlenmeyer(1822 - 1877) 是内科医师和精神病学家。Adolph 创建了“德国精神病学和法医心理学学会”(German Society for Psychiatry and Forensic Psychology)。这也罢了。Adolph的一个儿子叫Friedrich Albrecht Erlenmeyer (1849 - 1926)，是他最早研究了吗啡成瘾。

为什么要从Wüthrich讲到Erlenmeyer？老欧洲的学术继承关系真是扒三天三夜也扒不完。不信？不妨查查Adolph Erlenmeyer和Jacobi的关系。 

• 1922 – 德国物理学家Otto Stern和Walther Gerlach完成Stern-Gerlach实验：观测并证明原子角动量量子化（1944 Nobel）
  

• 1939 – 哥伦比亚大学 Isidor Rabi，首次观测到核磁共振（1944 Nobel）
  

• 1944 – 苏联物理学家Yevgeny Zavoisky观测到电子顺磁共振（EPR）
• 1946 – 斯坦福大学Felix Bloch 在液体中观测到核磁共振（1952 Nobel）
• 1946 – 哈佛大学Edward Mills Purcell 在固体中观测到核磁共振（1952 Nobel）
• 1949 – 布鲁克海文国家实验室Walter D. Knight发现化学位移
• 1949 – 瓦里安联合公司：首台使用NMR原理的商业仪器Varian F6 nuclear fluxmeter
• 1950 – 斯坦福大学 William Proctor 和虞福春发现自旋-自旋耦合
• 1951 – 斯坦福大学 James T. Arnold 在乙醇样本中观测到¹H chemical shift
• 1951 – 瓦里安联合公司：首个核磁共振仪的美国专利（U.S. Patent 2,561,490）
• 1952 – 瓦里安联合公司：首台NMR unit (NMR HR-30)
• 1953 – UIUC的Albert W. Overhauser 发现Overhauser effect（动态核极化理论）
• 1956 – NMR 被应用于研究生物组织
• 1956 – 40 MHz ¹H NMR
• 1957 – NMR频谱被证明是自由感应衰减（FID）信号的傅立叶变换（FT）
• 1957 – 耶鲁大学Martin Saunders将NMR应用于蛋白质（核糖核酸酶）
• 1957 – 梅隆研究所的Paul C. Lauterbur 首次将¹³C NMR应用于研究一系列有机物
• 1958 – 瓦里安联合公司James Shoolery 和密歇根州立大学Max Rogers将NMR用于研究 steroids
• 1961 – 瓦里安联合公司：60 MHz NMR
• 1962 – 瓦里安联合公司：首个超导磁铁NMR谱仪 220 MHz NMR
• 1965 – 立体有机化学引入nuclear Overhauser effect (NOE)
• 1967 – 布鲁克公司：首个商业傅里叶变换NMR谱仪（Bruker 90 MHz）
• 1970 – 布鲁克公司：首个商业超导磁铁傅里叶变换NMR谱仪（Bruker 270 MHz）
• 1971 – 比利时物理学家Jean Louis Charles Jeener提出2D NMR的概念
• 1972 – 洛斯阿拉莫斯实验室的N. A. Matwiyoff 将¹³C NMR应用于测量细胞代谢
• 1973 – Zeugmatography，首个2D NMR图谱
• 1973 – 布鲁克公司：360 MHz NMR
• 1976 – Richard Ernst开发FT-NMR谱学、2D NMR理论和实验（1991 Nobel）
• 1976 – UIC的C. Taylor Burt利用³¹P NMR研究肌肉代谢
• 1977 – 卡内基梅隆大学：600 MHz 非永磁铁 NMR
• 1970s – Peter Mansfield 和Paul Lauterbur率先开发MRI-related 技术（2003 Nobel）
• 1981 – 牛津大学Brian D. Ross将NMR首次用于诊断疾病（McArdle's Syndrome）
• 1983 – 瑞士联邦理工的Kurt Wüthrich完全由NMR数据解析出第一个蛋白质3D结构
• 1986 – NMR被用于研究活体细胞
• 1987 – 布鲁克、瓦里安、牛津仪器：600 MHz 永磁铁商业 NMR
• 1989 – 3D NMR研究同位素标记蛋白质
• 1992 – 布鲁克、瓦里安、牛津仪器：750 MHz NMR
• 1995 – Encyclopedia of NMR 出版
• 2002 – 固态NMR被用于研究蛋白质结构
• 2006 – 布鲁克公司：950 MHz NMR

Kurt Wüthrich (2003), NMR Studies of Structure and Function of Biological Macromolecules (Nobel Lecture)


Emsley and Feeney (2007), Forty years of Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy