Kurt Wüthrich (2014) - A Personal View of the History of Nuclear Magnetic Resonance in Biology and Medicine

In 1952, Felix Bloch and Edward Purcell were awarded the Nobel Prize in Physics for the description of the phenomenon of nuclear magnetic resonance (NMR). Over the years, NMR has been used in a wide range of fundamental studies in physics, and in the 1960s it became an important analytical tool in all branches of chemistry

Well thank you, it’s a pleasure to be here. Why a personal view? Because as all of us I will over exaggerate my own contributions. My talk starts in 20 minutes. And I expect that 100s of people will be coming in 20 minutes to listen to me. Therefore I’ll speak slowly so that those newcomers will also get part of it. Now nuclear magnetic resonance or NMR is a technique which can provide us today with quite a lot of interesting information. So it is NMR, Nuclear Magnetic Resonance. It’s not No Meaningful Results. And it’s not No More Research. Nuclear magnetic resonance. And it can be used to study man. And it can be used to study molecules. And today we expect that in chemistry NMR enables us to decide about the structures. That is NMR can tell us about the presence of each and every atom in such a molecule. It can be a larger molecule, a smaller molecule. It can be the result of synthetic chemistry where the chemist wants to check about the coincidence of what he expected to get and what he did actually get in his work. This particular molecule that I showed to you is cyclosporine A. It was essential in the start of transplantation in human medicine. It is the first viable immune suppressant that actually enabled the start of transplantation medicine and it was also a big economic success. Now, what can NMR do next? Now we move from chemistry to structural biology. Now, NMR can tell us where our drug molecule, this is again cyclosporine A, binds to particular sites in cells, in this case in the human cell. And here you have the primary receptor. This is a small protein, cyclophilin. And so NMR can tell us about the structure of the complex formed by the drug molecule and its receptor. Once we have such a result, we can remove the drug from its binding site and study in detail the contacts that the drug undergoes with its receptor. And then we can go back to the chemists and tell them: “Look, this piece is too big. That doesn’t really fit into this crevice. So cut it off and check whether you can improve some properties of the drug which might lead to reduced site effect that are inevitable in any drug and need to be minimised.” This is one area where we use NMR widely today. Another area is in imaging. It’s a very different approach. Also we are on a very different scale. This is a knee. It happens to be my own. You can see... Others usually show their heads but because of my major occupation, knees are considerably more important that other parts of my body. Now, you all want to get a Nobel Prize and we should tell you how to do it. This is a bit difficult. But, you see, it’s much easier to predict the past. So I’m going to tell you how things have happened in NMR. There are 6 Nobel laureates who got the Prize for NMR. And the first thing... Now if you want to get the prize, you have to choose your field. After Switzerland lost to Argentina in a painful way last night, I find out again that it was the right choice for me 50 years ago not to continue playing football as my major occupation but to join NMR because of the 6 NMR Nobel Prizes. So choosing the right field of activity is important. Never mind if it’s a Nobel Prize. You have to be happy. You have to have a satisfactory life. And if you live in Argentina, I would recommend that you rather go into football than into natural science. Well next you have to be visible. You see I stay in Argentina. When I don’t play football, then I go fishing. And these are quite nice trouts which I caught in the Lago Escondido near Bariloche in the Andes in Argentina. And in Bariloche there’s a very famous theoretical physics institute where many European leading physicists would spend part of the year. But you see these fish are very nice eating but they are sort of small. And Stockholm is far away. And it’s dark in the winter. So Swedes may not see these fish. So you have to catch big fish. Then you have a chance that the Nobel Committee may actually see the fish. And I am now going to tell you about the 3 big fish that gave Nobel Prizes in NMR. And then there will be a fourth big fish, which provides the basis of it all. NMR started with Felix Bloch. This is the Swiss physicist and Edward Purcell an American physicist, they both worked in the United States. And they discovered within a few weeks independent of each other the phenomenon of nuclear magnetic resonance. It is not so that this was an all or nothing breakthrough. There have been different experiments for example by a physicist with the name of Rabi. Other physicist with the name of Stern, who performed so called beam experiments which already indicated that nuclear magnetic resonance could happen. But it was Bloch and Purcell who actually did the first experiment. Now what is the nuclear magnetic resonance phenomenon? We consider just the simplest case, namely the case of a hydrogen atom like you find it in water for example. Hydrogen atom has a spin. The nucleus of the hydrogen has a spin. And in a quantum mechanical description you have a spin of one half. And this has 2 so called eigenstates. So that nucleus can exist in 2 different forms. One is described by an arrow pointing up, the other one by an arrow pointing down. Or it’s called beta or alpha and the corresponding quantum numbers are -1/2 and +1/2. Here in this audience we will not be able to distinguish between the 2 states because you are only subject to the Earth’s magnetic field and that’s so small that you do not get an energy difference between the 2 states. But if you place the material to study, in this case the hydrogen atoms, into a strong magnetic field that may be half a million times the strength of the Earth’s magnetic field, then you lift the degeneracy. That means you now have 2 states that are energetically different. And the energy difference can be explained -this is delta E- can be expressed in terms of a frequency, a radio frequency. When you listen to a radio set, then you work with the same kind of wavelengths that we use in NMR experiments. Now, the key point here is that this size of the energy splitting is proportional to the applied magnetic field. So we have it in hand to decide how big we want this energy gap to be and hence at what frequency we want to see transitions between these 2 energetically different states. And when we change the applied field, then this difference will become a bit smaller. If we increase it, it will become a bit bigger. Recognising this was of course the first of those 3 big NMR fishes. Now we come to the second fish. You have already seen the water molecule in Peter Agre’s talk. It’s a simple structure. You have 2 hydrogen atoms in white and the reddish blue oxygen atom. In the NMR experiment we don’t see the oxygen, we only see the 2 hydrogens. And because of the symmetry of the molecular structure we cannot distinguish between the 2. Therefore we get a single line in a spectrum. Now this line... Since I have enough time let me go back. This line now represents exactly this energy difference in terms of the frequency at which we observe this peak. And now comes the big idea which leads to the use of the NMR phenomenon for macroscopic imaging as it is used in medical diagnosis. You now take a macroscopic structure like human head or human knee as you have seen before and you apply a variation of the field, the so called field gradient across this macroscopic object. Now you have a different energy splitting on the left eye than on the right eye because you have a difference in the applied magnetic field. Though also we only and exclusively observe the water molecule -I mean most of the inside of our head is water, about 80%- we can see, we can distinguish between the water at this part of the head and here. And then we do the same thing perpendicular to this plain and in the third dimension and with some mathematical procedures. We can then reproduce the image. So this is the big fish. To realise if you go across the macroscopic object, you can distinguish between the water next to the left eye from the water next to the right eye. It’s the same. You can distinguish between the 2 ears although you always observe the water. And this big fish was caught by Paul Lauterbur and by Peter Mansfield who received the Nobel Prize in medicine and physiology in 2003. Let me just for... You see I can also say that there are 4 of us who got the Nobel Prize in NMR in new times. And we all worked in both, in spectroscopy and in imaging. So let me just recount how we got into imaging. That was very early on in the game in the 1980s. And it wasn’t trivial to get a sufficiently big magnet to place an adult human body inside. So we got a small magnet and we worked in the children’s hospital in Zurich. And actually my graduate students Chris Bösch and Rolf Grütter are now both leading scientists in Swiss hospitals in this area. We would work with new born infants. And the most difficult problem that we faced was to monitor the state of the infants inside the magnet because new born infants with birth trauma are highly unstable and all vital functions need to be constantly monitored. And the children were also so weak that we couldn’t use chemicals to sedate the children. Therefore we would ask the parents to come in and put the children to sleep. Then the parents were extremely upset and scared of seeing their little ones disappear in a magnet. So Chris Bösch devised the fairy house. Now the magnet is inside here, the baby goes here and the parents were extremely relieved to see the baby go into a fairy house rather than into an iron core magnet. The result of the study was very often very painful. I show you here an image of the head of a 17 year old girl who had heavy mechanical birth trauma which caused a huge hematoma here in this area of the scull. Very sad story of course. But this is the sort of things that happened to us when we were into MRI many years ago. Now let me go to the third big fish story. This is work that led to the use of NMR in structural biology. And here the problem to be solved was a very different one from the problem that you have to solve when you try to image macroscopic objects. We are now dealing not with water molecules which give a single line in any sort of spectroscopic technique but now we work with macromolecules such as this marvellous painting by Geis from the 1960s. This is cytochrome C. I always like to show such pictures from the times before computers were able to draw molecules. So Irving Geis was a painter who painted all the early 3 dimensional structures of proteins and nucleic acids in the 1960s and ‘70s. And only with the 1980s were computers getting able to make similar but not quite equally nice drawings. The point here is that I do not have just one kind of hydrogen atom. I have many different kinds, chemically different types of atoms. And as a result I don’t get a single line but I get a complicated spectrum. This is just a usual scale, corresponds to the frequency at which we observe the signals. And you can see that in this particular case we see some well resolved signals but these correspond only in this case to exactly 6 hydrogen atoms whereas here we have overlapping signals of about 400 NMR signals. Now, we knew from studying these well resolved lines that the information was available to determine 3 dimensional structures. But we couldn’t get the information out of this part which contains most of the resonances. And here the big fish experience was to go from one dimension to 2 dimensions. See, instead of arranging all these many lines on a single axis, you get the 2 dimensional plain and now individual lines move out of the mess here and are well separated in this 2 dimensional plain. So that was the advent of 2 dimensional NMR. We had the first set of experiments by 1982. COSY, NOESY, SECSY and FOCSY. I mean this is serious. I mean SECSY stands for spin-echo correlated spectroscopy. I mean compared to the notations that we see in immunology for example this is relatively straightforward. Now, what is behind this multidimensional NMR? I say multidimensional because although it was 2 dimensional originally, today when we determine an NMR structure of a protein we use 2 five dimensional, 1 four dimensional and 3 three dimensional experiments. So the principle that I’m now going to explain is not limited to 2 dimensions but it can be expanded in principle to an unlimited number of dimensions. This is a 2 dimensional experiment. Now it’s perhaps a bit difficult for some of you to see what is happening. Let me just try to be simple. You have here T1 and T2. T2 is the time that runs. Ok, all of us get older every second that passes today. And in my age that goes much faster than for some of you. But it goes for all of us. So when we perform an experiment, for example with an ensemble of nuclear spins, everything is in principle in equilibrium. We can perturb this equilibrium and study how the system behaves. And we follow this for a long time. So this is just the time. The experiment may last for 100 milliseconds or so. And we perturb the system. I don’t need to go into details. What happens then is that we observe an oscillation of certain parameters that we measure. Now, the idea that leads to 2 dimensional and higher dimensional spectroscopy is to create an artificial second time axis. And this is done in the following way. You perturb the system. Perturbing means that I take a hammer and hit and then wait for a certain time and hit again, ok? Now, then the response to the second hammer hit will depend on the length of time that passes between the first hammer and the second hammer because the system starts, as we say, to evolve and depending on the length of this time T1 we will start this recording. Is it here or here or here? And if we now repeat this experiment 100 times, that is we change this time T1 100 times, then we have created a second time axis which is perpendicular to the normal running time. And the 2 dimensional Fourier transformation then gets us into the 2 dimensional frequency space. And Richard Ernst was awarded the Nobel Prize in chemistry in 1991 for having worked out these principles and realised the first 2 dimensional NMR experiments. So that’s big fish number 3. When you then look more closely at the 2 dimensional or higher dimensional spectrum of a protein, then you see that there is an awful lot of information. This is a so called contour plot. This is now what I get after I resolved that series of overlapping lines in the 1 dimensional spectrum into 2 dimensions. And this is clearly enough information to define a 3 dimensional protein structure. And all it needed from thereon was to develop mathematical tools that could calculate the 3 dimensional structure from this array of NMR peaks that we have seen in this picture. So from here distance geometry techniques get us to here. And from here you then go to Stockholm. So these are the 3 big fish. So the first one is to have observed the phenomenon of NMR by physicists. At the time I met Felix Bloch many times later. He was already retired at the time, lived in Zurich. He did not expect that NMR would yield interesting data other than some new insights into the structure and properties of nuclei. So pure physics. Then we got the development of magnetic resonance imaging by applying field gradients across macroscopic objects. Very clearly, just an application of the basic principle of NMR. And then we got to the point where we could unravel highly complex spectra by introducing artificial new time dimensions into the experiment. I told you there is an additional big fish. Now I am going all the way back to Albert Einstein. I am talking about the Brownian motion and its impact on NMR in solution. What Albert Einstein did in 1905, in addition to sidecars like relativity theory and the likes, he analysed the Brownian motion of particles suspended in liquids at ambient temperature. And it was also pretty much the start of statistical mechanics. So, you only look at the right hand side of my slide here. And what it shows is the behaviour of a small sphere and the behaviour of a large sphere when immersed in a liquid. If we have a small sphere then under the thermal motion of the much smaller solvent molecules, that sphere changes direction and it also changes rotational movements stochastically at a relatively high frequency. When you have a large sphere, its inertia is much larger and it reacts with much lower frequency to the onslaught of the thermally agitated solvent molecules. For NMR this means that we are in a completely different regime of spin physics when we have low frequency Brownian motion or when we have high frequency Brownian motion. And this is what Albert Einstein worked out in 1905 when he was a clerk in the patent office in Bern. And he comes up with the key (that) is that he described the behaviour of molecules with regard to rotational Brownian motion in terms of a correlation time tauC which governs all essential parameters that enable both MRI and studies of large molecules in solution. So Albert Einstein contributes directly to the wellbeing of dozens of football players in Brazil these days. You can introduce the findings of Einstein into the description of NMR experiments by single transition basis operators. This led more recently to transverse relaxation optimised spectroscopy. It led to breaking size barriers -you see here a rather large protein complex. The GroEL-GroES-ADP complex- and gives a rather nice spectrum when using all these principles of recognising the proper impact of the frequency of Brownian motion on NMR in solution. What are exactly, what does this help us? Why is this a fourth big fish in the field? When we look at human bodies with MRI, we don’t see fat. We don’t see proteins, we don’t see membranes. We only see the water molecules. And this is due to this very simple scheme here that the water molecule is very small. And even in our bodies it moves sufficiently fast so as that it gives a sharp NMR line and we can perform MRI on living human subjects. On the other hand having recognised the TROSY principle we are now able to study membrane proteins with solution NMR. And we have heard yesterday from Doctor Kobilka’s talk that he said again and again: And this is actually my own current research area. I don’t need to go into any details. I am working in a team with Professor Raymond Stevens, a crystallographer. And we joined forces by using crystallography and NMR in much the way that Doctor Kobilka described to you yesterday. I hope that this historical review gave you an idea of how far basic research can be before it yields fruit. Fruit means betterment of human life. But it also means money. MRI today is a huge business. Thousands of machines are operating in hospitals. Ten thousands of high tech jobs have been created. If we go to a congress on MRI which didn’t exist 30 years ago, we have 10,000 participants, 12,000 participants. And when we look at things very closely, we see that some of the basics have been accrued long... I mean in the case of Einstein, the theory of Brownian motion came long before NMR was invented. And I think that today’s trend, especially in the United States, to support only research that promises to go to the bedside the next day inhibits the possibility that 50 years from now we will be able to use novel principles of physics in practical medicine and biomedical research. I should also emphasise that all this research in NMR which brought these results was small scale research. It wasn’t a big project where politicians could put their names on top and advertise their support of science. This was all small group research. And it is exactly this kind of work that is very poorly supported these days. I’m afraid that we will suffer from this in the decades to come. Thank you. Applause.

Danke, ich freue mich, hier zu sein. Warum eine persönliche Sicht? Weil ich wie jeder von uns meine eigenen Beiträge überbewerte. Mein Vortrag beginnt in 20 Minuten. Und ich gehe davon aus, dass in 20 Minuten Hunderte Menschen kommen, um mich zu hören. Deshalb werde ich langsam sprechen, damit auch diese Nachzügler etwas davon mitbekommen. Die Kernspinresonanz oder NMR ist eine Technik, die uns heute viele interessante Informationen liefern kann. NMR steht für "Nuclear Magnetic Resonance", nicht für "No Meaningful Results" oder "No More Research". Nuclear Magnetic Resonance, die zur Erforschung des Menschen eingesetzt werden kann. Und es kann genutzt werden um Moleküle zu erforschen. Und heute gehen wir davon aus, dass NMR uns in der Chemie die Entscheidung über Strukturen ermöglicht, dass NMR etwas über das Vorhandensein von allen Atomen in einem solchen Molekül aussagen kann. Es kann ein größeres Molekül oder ein kleineres Molekül sein. Es kann das Ergebnis von synthetischer Chemie sein, wenn der Chemiker etwas über die Koinzidenz von erwarteten und tatsächlichen Ergebnissen seiner Arbeit erfahren möchte. Das spezielle Molekül, das ich Ihnen zeige, ist Cyclosporin A. Es war entscheidend für die Anfänge der Transplantationsmedizin. Es ist das erste brauchbare Immunsuppressivum, das tatsächlich den Start der Transplantationsmedizin ermöglichte und zudem ein großer wirtschaftlicher Erfolg wurde. Was kann NMR als Nächstes bewirken? Wir bewegen uns jetzt von der Chemie zur Strukturbiologie. NMR kann uns zeigen, wo unser Wirkstoffmolekül - das hier ist wieder Cyclosporin A - an bestimmte Stellen in Zellen bindet, in diesem Fall in der menschlichen Zelle. Und hier sehen Sie den primären Rezeptor. Das ist ein kleines Protein, Cyclophilin. Und so kann uns NMR etwas über die Struktur des Komplexes zeigen, der vom Wirkstoffmolekül und seinem Rezeptor gebildet wird. Haben wir erst einmal ein solches Resultat, können wir den Wirkstoff von seiner Bindungsstelle lösen und detailliert die Kontakte untersuchen, die der Wirkstoff mit seinem Rezeptor eingeht. Und dann können wir uns wieder an die Chemiker wenden und ihnen sagen: Es passt nicht richtig in diesen Spalt. Schneide es ab und überprüfe, ob du bestimmte Eigenschaften des Arzneimittels verbessern kannst, damit die Nebenwirkungen reduziert werden, die bei einem Arzneimittel unumgänglich sind, aber auf ein Minimum reduziert werden sollten." Das ist einer der Bereiche, in denen wir die NMR-Technik heute umfassend einsetzen. Ein anderer Bereich sind Bildgebungsverfahren, ein völlig anderer Ansatz. Dort bewegen wir uns auch in völlig anderen Größenordnungen. Das ist ein Knie, übrigens mein eigenes. Sie sehen ...Andere zeigen normalerweise ihre Köpfe, aber aufgrund meines Hauptberufs spielen die Knie eine wesentlich wichtigere Rolle als andere Teile meines Körpers. Sie alle wollen doch einen Nobelpreis bekommen und wir sollten Ihnen zeigen, wie das geht. Das ist gar nicht so leicht. Wesentlich einfacher ist es, die Vergangenheit vorherzusagen. Deshalb erzähle ich Ihnen, wie das im Fall von NMR gewesen ist. Es gibt sechs Nobelpreisträger, die den Nobelpreis für NMR bekommen haben. Und zu allererst ...Wenn man den Preis erhalten will, muss man sein Fachgebiet richtig wählen. Nachdem die Schweiz gestern so schmerzhaft gegen Argentinien verloren hat, hat mich das wieder einmal darin bestätigt, dass ich vor 50 Jahren die richtige Entscheidung getroffen habe, nämlich nicht weiter im Hauptberuf Fußball zu spielen, sondern im Bereich von NMR tätig zu werden - denn von sechs NMR-Nobelpreisen gingen drei an Schweizer Wissenschaftler, während die Schweiz nie auch nur eine einzige Fußballweltmeisterschaft gewonnen oder auch nur fast gewonnen hätte. Wichtig ist also die richtige Wahl des Tätigkeitsfeldes. Egal, ob es der Nobelpreis ist. Man sollte glücklich sein, ein zufriedenes Leben führen. Und wenn Sie in Argentinien leben, so würde ich Ihnen empfehlen, eher Fußball zu spielen als in die Naturwissenschaften zu gehen. Als Nächstes muss man sichtbar sein. Ich lebe in Argentinien. Wenn ich nicht Fußball spiele, gehe ich angeln. Im Lago Escondido in der Nähe von Bariloche in den argentinischen Anden habe ich recht ansehnliche Forellen gefangen. Und in Bariloche gibt es ein sehr berühmtes Institut für Theoretische Physik, an dem viele führende Physiker Europas einen Teil des Jahres verbringen. Diese Fische sind ganz lecker, aber ziemlich klein. Und Stockholm ist weit weg. Und im Winter ist es dunkel, weshalb die Schweden diese Fische möglicherweise gar nicht sehen können. Wenn die Chance bestehen soll, dass das Nobelkomittee den Fisch tatsächlich wahrnimmt, muss man also große Fische fangen. Und ich erzähle Ihnen jetzt etwas über die drei "großen Fische", die mit einem Nobelpreis für NMR ausgezeichnet wurden. Und dann gibt es noch einen vierten großen Fisch, der die Grundlage für das alles ist. NMR begann mit dem Schweizer Physiker Felix Bloch und dem amerikanischen Physiker Edward Purcell, die beide in den Vereinigten Staaten tätig waren. Innerhalb weniger Wochen entdeckten sie unabhängig voneinander das Phänomen der kernmagnetischen Resonanz. Das war allerdings kein "Alles oder Nichts"-Durchbruch. Vorher hatte es bereits verschiedene Experimente, etwa von einem Physiker namens Rabi oder einem weiteren Physiker Namens Stern gegeben, die so genannte Strahlexperimente durchführten, die schon andeuteten, dass eine Kernspinresonanz vorkommen kann. Bloch und Purcell führten allerdings das erste Experiment durch. Worin besteht das Phänomen der Kernspinresonanz? Wir gehen einmal vom einfachsten Fall aus, nämlich einem Wasserstoffatom, wie es beispielsweise in Wasser zu finden ist. Ein Wasserstoffatom hat einen Spin. Der Kern des Wasserstoffatoms hat einen Spin. Und in einer quantenmechanischen Beschreibung gibt es einen Spin von 1/2. Und dieser hat zwei sogenannte Eigenzustände. Dieser Kern kann also in zwei unterschiedlichen Formen existieren. Die eine wird durch einen nach oben zeigenden Pfeil, die andere durch einen nach unten zeigenden Pfeil angezeigt. Oder sie werden als Beta oder Alpha bezeichnet. Die entsprechenden Quantenzahlen lauten -1/2 und +1/2. Hier im Publikum können wir nicht zwischen den beiden Zuständen unterscheiden, da Sie nur dem Magnetfeld der Erde unterliegen und das ist so schwach, dass man keinen Energieunterschied zwischen den beiden Zuständen feststellen kann. Platziert man aber das zu untersuchende Material, in diesem Fall die Wasserstoffatome, in einem starken Magnetfeld, das eine halbe Million Mal so stark ist wie das Magnetfeld der Erde, wird die Entartung sichtbar, das heißt, man hat jetzt zwei Zustände, die sich energetisch voneinander unterscheiden. Die Energiedifferenz lässt sich erklären, das ist Delta E, sie kann als Frequenz, als Radiofrequenz ausgedrückt werden. Wenn Sie ein Radio einschalten, haben Sie die gleiche Art von Wellenlängen, die wir in unseren NMR-Experimenten verwenden. Entscheidend ist, dass diese Größe der Energieverteilung im Verhältnis zum angewandten Magnetfeld steht. Wir können also entscheiden, wie groß diese Energiedifferenz sein soll und bei welcher Frequenz Übergänge zwischen diesen beiden energetisch unterschiedlichen Zuständen vorkommen sollen. Wenn wir das angewandte Feld verändern, verringert sich dieser Unterschied etwas. Wenn wir es vergrößern, vergrößert es sich etwas. Diese Entdeckung war die erste dieser drei großen NMR-Fische. Kommen wir jetzt zum zweiten Fisch. Im Vortrag von Peter Agre haben Sie das Wassermolekül ja schon gesehen. Das ist eine einfache Struktur. Es gibt zwei Wasserstoffatome, in Weiß, und das rötlich-blaue Sauerstoffatom. Im NMR-Experiment sehen wir den Sauerstoff nicht, wir sehen nur die beiden Wasserstoffe. Und aufgrund der Symmetrie der Molekülstruktur können wir die beiden nicht voneinander unterscheiden. Deshalb erhalten wir eine einzelne Linie in einem Spektrum. Diese Linie ...Da ich genügend Zeit habe, gehe ich noch einmal zurück. Diese Linie repräsentiert exakt diese Energiedifferenz hinsichtlich der Frequenz, bei der wir diesen Höchstwert beobachten. Und hier kommt die zündende Idee ins Spiel, die zur Verwendung des NMR-Phänomens für makroskopische Bildgebungsverfahren in der medizinischen Diagnose führte. Auf eine makroskopische Struktur, wie den menschlichen Kopf oder das vorher dargestellte Knie wendet man jetzt eine Variation des Feldes an, den so genannten Feldgradienten, durch dieses makroskopische Objekt. Jetzt besteht auf dem linken Auge eine andere Energieverteilung als auf dem rechten Auge, weil die angewandten Magnetfelder unterschiedlich sind. Obwohl wir ausschließlich das Wassermolekül betrachten - das Innere unseres Kopfes besteht zum großen Teil, rund 80%, aus Wasser - können wir zwischen dem Wasser in diesem Teil des Kopfes und diesem hier unterscheiden. Und dann wiederholen wir das Ganze senkrecht zu dieser Fläche und in der dritten Dimension und mit einigen mathematischen Verfahren können wir dann das Bild erstellen. Das ist also der "große Fisch" - die Feststellung, dass man, wenn man über das makroskopische Objekt fährt, zwischen dem Wasser am linken Auge und dem Wasser am rechten Auge unterscheiden kann. Es ist das gleiche. Man kann zwischen den beiden Ohren unterscheiden, obwohl man immer das Wasser betrachtet. Und diesen großen Fisch gefangen haben Paul Lauterbur und Peter Mansfield, die 2003 den Nobelpreis für Medizin und Physiologie erhielten. Lassen Sie mich ...Ich könnte auch sagen, dass vier von uns den Nobelpreis für NMR in neuer Zeit erhalten haben. Und wir haben alle in beiden Bereichen gearbeitet, Spektroskopie und Bildgebungsverfahren. Lassen Sie mich gerade erzählen, wie wir zum Bildgebungsverfahren kamen. Das war relativ zu Anfang in den 1980er-Jahren. Und es war nicht gerade einfach, an einen ausreichend großen Magneten zu kommen, um den Körper eines Erwachsenen darin unterbringen zu können. Deshalb hatten wir einen kleinen Magneten und arbeiteten in der Kinderklinik in Zürich. Zwei meiner Doktoranden, Chris Bösch und Rolf Grütter, sind heute führende Wissenschaftler auf diesem Gebiet in Schweizer Krankenhäusern. Wir beschlossen, mit Neugeborenen zu arbeiten. Das Schwierigste daran war, den Zustand der Neugeborenen im Magneten zu überwachen, weil Neugeborene mit Geburtstrauma sehr instabil sind und alle lebenswichtigen Funktionen kontinuierlich überwacht werden müssen. Und die Kinder waren so schwach, dass wir auch keine Arzneimittel zur Ruhigstellung verwenden konnten. Deshalb baten wir die Eltern, die Kinder in den Schlaf zu wiegen. Und die waren extrem verunsichert und aufgeschreckt, wenn sie ihre Kleinen in einem Magneten verschwinden sahen. Deshalb dachte sich Chris Bösch dieses Märchenhaus aus, in dem der Magnet dann untergebracht war. Das Baby wird hier in das Gerät gefahren und die Eltern waren sehr erleichtert, wenn ihr Baby in einem Märchenhaus statt in einem Eisenkernmagneten verschwand. Das Ergebnis der Untersuchung war oft sehr schmerzlich. Hier sehen Sie die Darstellung des Kopfes eines 17 Tage alten Mädchens mit heftigem mechanischen Geburtstrauma, das in diesem Bereich des Schädels ein riesiges Hämatom verursacht hatte. Natürlich eine sehr traurige Geschichte. Aber solche Dinge kamen vor, als wir vor vielen Jahren mit MRI anfingen. Ich komme jetzt zum dritten großen Fisch. Das ist die Arbeit, die zur Anwendung von NMR in der Strukturbiologie führte. Das in diesem Bereich zu lösende Problem war ein ganz anderes als das, was man mit der Darstellung makroskopischer Objekte versuchte. Hier haben wir es nicht mit Wassermolekülen zu tun, die in jeder spektroskopischen Technik eine einzelne Linie ergeben, sondern mit Makromolekülen wie bei diesem wunderbaren Gemälde von Geis aus den 1960er-Jahren. Das ist Cytochrom C. Ich mag diese Bilder aus den Zeiten, bevor man Moleküle mit Computerprogrammen darzustellen begann. Irving Geis war ein Maler, der in den 1960er- und 1970er-Jahren all die frühen dreidimensionalen Strukturen von Proteinen und Nukleinsäuren darstellte. Erst in den 1980er-Jahren waren dann die Computer so langsam in der Lage, ähnliche, wenn auch nicht ganz so schöne Darstellungen zu erzeugen. Es geht darum, dass hier nicht nur eine Art von Wasserstoffatom vorhanden ist, sondern chemisch sehr verschiedene Atomarten. Deshalb ergibt sich keine einzelne Linie, sondern ein kompliziertes Spektrum. Das hier ist einfach eine normale Skalenbreite, die der Frequenz entspricht, bei der wir die Signale beobachten. Und in diesem speziellen Fall erkennen wir einige gut aufgelöste Signale, die aber nur in diesem Fall exakt sechs Wasserstoffatomen entsprechen, während wir hier überlappende Signale von rund 400 NMR-Signalen haben. Aus der Analyse dieser gut aufgelösten Linien wussten wir, dass die Informationen zur Ermittlung dreidimensionaler Strukturen zur Verfügung standen. Aber wir erhielten keine Informationen aus diesem Teil, der die meisten Resonanzen enthält. Der "große Fisch" bestand nun darin, von einer auf zwei Dimensionen überzugehen. Statt einer Anordnung dieser gesamten Linien auf einer einzelnen Achse erhält man eine zweidimensionale Fläche. Jetzt bewegen sich hier einzelne Linien aus diesem Durcheinander heraus und werden hier in dieser zweidimensionalen Fläche gut voneinander getrennt dargestellt. Das war der Beginn der zweidimensionalen NMR-Technik. Die ersten Versuchsserien fanden um das Jahr 1982 statt. COSY, NOESY, SECSY und FOCSY. Die heißen tatsächlich so. SECSY steht für "Spin-echo Correlated Spectroscopy". Im Vergleich zu den Bezeichnungen, die wir beispielsweise in der Immunologie kennen, ist das doch relativ geradlinig. Was steckt nun hinter der multidimensionalen NMR-Technik? Ich sage "multidimensional", weil es zwar ursprünglich zweidimensional war, wir aber heute bei der Ermittlung einer NMR-Struktur eines Proteins zwei fünfdimensionale, ein vierdimensionales und drei dreidimensionale Experimente benutzen. Das Prinzip, das ich erklären werde, ist also nicht auf zwei Dimensionen begrenzt, sondern lässt sich grundsätzlich auf eine unbegrenzte Anzahl von Dimensionen erweitern. Das hier ist ein zweidimensionales Experiment. Vielleicht ist nicht für alle zu sehen, was hier passiert. Ich versuche das einfach zu erklären. Hier gibt es t1 und t2. t2 ist die verstreichende Zeit. Wir alle werden mit jeder Sekunde etwas älter. Und in meinem Alter geht das noch viel schneller als bei einigen von Ihnen. Aber es gilt für uns alle. Wenn wir beispielsweise ein Experiment mit einem Kernspin-Ensemble durchführen, ist im Prinzip alles im Gleichgewicht. Wir können das Gleichgewicht stören und untersuchen, wie sich das System verhält. Und wir verfolgen das dann eine lange Zeit. Das hier ist also einfach die Zeit. Das Experiment kann z. B. 100 Millisekunden andauern. Und wir stören das System. Ich brauche nicht ins Detail zu gehen. Und dann beobachten wir die Oszillation bestimmter Parameter, die wir messen. Die Idee, die hinter der zweidimensionalen und höherdimensionalen Spektroskopie steckt, ist es, eine künstliche zweite Zeitachse zu schaffen, indem man das System stört. Stören bedeutet, dass man einen Hammer nimmt und schlägt, dann eine bestimmte Zeit wartet und erneut schlägt. Die Reaktion auf den zweiten Hammerschlag hängt von der Länge der Zeit ab, die zwischen dem erstem und dem zweiten Hammerschlag vergeht, weil das System, wie wir sagen, sich zu entwickeln beginnt. Und abhängig von der Länge dieser Zeit t1 beginnen wir mit der Erfassung. Ist das hier oder hier oder hier? Und wenn wir dieses Experiment 100 Mal wiederholen, also diese Zeit t1 einhundert Mal verändern, haben wir eine zweite Zeitachse geschaffen, die senkrecht zur normalen Laufzeit verläuft. Und mit der zweidimensionalen Fourier-Transformation sind wir im zweidimensionalen Frequenzbereich. Für die Ausarbeitung dieser Grundsätze erhielt Richard Ernst 1991 den Nobelpreis in Chemie. Er führte auch die ersten zweidimensionalen NMR-Experimente durch. Das war also der große Fisch Nr. 3. Wenn man sich das zwei- oder höherdimensionale Spektrum eines Proteins genauer anschaut, erkennt man eine Menge an Informationen. Hier sehen Sie ein so genanntes Konturdiagramm. Das ist das Ergebnis, nachdem ich diese Serie von überlappenden Linien im eindimensionalen Spektrum in zwei Dimensionen aufgelöst habe. Und diese Informationen reichen definitiv aus, um eine dreidimensionale Proteinstruktur zu definieren. Und dann brauchte man nur noch mathematische Werkzeuge zu entwickeln, die die dreidimensionale Struktur aus diesem Spektrum von NMR-Peaks berechnen, die in diesem Bild zu sehen waren. Diesen Schritt haben uns Distanzgeometrie-Rechnungen ermöglicht. Und von dort ging es dann weiter nach Stockholm. Das also sind die drei großen Fische. Der erste bestand darin, dass Physiker das NMR-Phänomen beobachtet hatten. Als ich Felix Bloch sehr viel später einmal traf, war er bereits pensioniert und lebte in Zürich. Er hätte niemals erwartet, dass die NMR-Technik außer einigen neuen Erkenntnissen über die Struktur und die Eigenschaften von Zellkernen interessante Daten liefern würde. Also reine Physik. Dann erfolgte die Weiterentwicklung der Kernspintomographie durch Anwendung von Feldgradienten auf makroskopische Objekte. Das war ganz klar einfach eine Anwendung des Grundprinzips von NMR. Und so konnten wir äußerst komplexe Spektren entwirren, in dem künstliche, neue Zeitdimensionen in das Experiment eingebracht wurden. Ich erwähnte bereits einen weiteren "großen Fisch". Und dazu gehe ich zurück bis zu Albert Einstein. Ich spreche über die Brownsche Bewegung und ihre Auswirkung auf NMR in Lösung. die Brownsche Bewegung von in Flüssigkeit suspendierten Teilchen bei Umgebungstemperatur. Und das war so ziemlich der Beginn der statistischen Mechanik. Schauen Sie sich nur die rechte Seite dieser Folie hier an. Zu sehen ist dort das Verhalten der kleinen Kugelfläche und der großen Kugelfläche, die in eine Flüssigkeit eingetaucht wird. Bei einer kleinen Kugelfläche ändert diese Kugelfläche unter der thermischen Bewegung der wesentlich kleineren Lösungsmittelmoleküle die Richtung und zudem die Drehbewegungen stochastisch bei einer relativ hohen Frequenz. Bei einer großen Kugelfläche ist die Trägheit wesentlich größer. Sie reagiert mit einer wesentlich geringeren Frequenz auf den Angriff der thermisch agitierten Lösungsmittelmoleküle. Für NMR bedeutet das, dass wir uns in einem vollständig anderen System der Spinphysik bewegen, abhängig davon, ob wir eine niederfrequente Brownsche Bewegung oder eine hochfrequente Brownsche Bewegung haben. Und das hat Albert Einstein 1905 ausgearbeitet, als er als Sachbearbeiter beim Patentamt in Bern tätig war. Und er lieferte damit den Schlüssel, indem er das Verhalten von Molekülen in Bezug zur Brownsche Drehbewegung im Sinne einer Korrelationszeit TauC lieferte, die alle wesentlichen Parameter steuert, die sowohl MRI als auch die Analyse großer Moleküle in Lösung ermöglichen. Albert Einstein hat also direkt zum Wohlergehen dutzender Fußballspieler in Brasilien in diesen Tagen beigetragen. Die Ergebnisse von Einstein lassen sich durch einzelne Übergangsbasisoperatoren in die Beschreibung von NMR-Experimenten integrieren. Das hat in jüngerer Zeit zur transversalen relaxationsoptimierten Spektroskopie geführt. Dadurch konnten Größenhindernisse überwunden werden - Sie sehen hier einen ziemlich großen Proteinkomplex. Der GroEL-GroES-ADP-Komplex - und ergibt das dann ein ziemlich schönes Spektrum wenn man all diese Grundsätze der richtig erkannten Auswirkungen der Frequenz der Brownsche Bewegung auf NMR in Lösung anwendet. Wie kann das für uns von Nutzen sein? Warum ist das der vierte "große Fisch" auf diesem Gebiet? Wenn wir einen menschlichen Körper mit MRI betrachten, sehen wir kein Fett. Wir sehen keine Proteine, wir sehen keine Membranen. Wir sehen nur die Wassermoleküle. Und das hängt sehr einfach damit zusammen, dass das Wassermolekül sehr klein ist. Und selbst in unserem Körper bewegt es sich schnell genug, um eine scharfe NMR-Linie zu erzeugen, so dass wir MRI an lebenden Menschen durchführen können. Nachdem das TROSY-Prinzip entdeckt wurde, sind wir jetzt in der Lage, Membranproteine mit NMR in Lösung zu untersuchen. Und gestern hat Dr. Kobilka in seinem Vortrag mehrfach gesagt: wenn wir die Funktionsweise von komplexen Molekülen wie GPCR (G-Protein gekoppelte Rezeptoren) verstehen wollen." Das ist mein derzeitiges Forschungsgebiet. Ich möchte das hier nicht vertiefen. Ich arbeite in einem Team mit Professor Raymond Stevens, einem Kristallographen, zusammen. Und gemeinsam nutzen wir die Kristallographie und NMR in ähnlicher Weise, die Dr. Kobilka Ihnen das gestern beschrieben hat. Ich hoffe, dass diese historische Übersicht Ihnen eine Vorstellung davon vermitteln konnte, wie weit Grundlagenforschung geht, bevor sie Früchte trägt. Mit Früchten ist eine Verbesserung des menschlichen Lebens gemeint. Aber es bedeutet auch Geld. MRI ist heute ein Riesengeschäft. In den Krankenhäusern sind Tausende solcher Geräte im Einsatz. Dadurch wurden zehntausende Hightech-Arbeitsplätze geschaffen. Kongresse zum Thema MRI, die vor 30 Jahren überhaupt noch nicht existierten, werden von 10.000 bis 12.000 Teilnehmern besucht. Und bei genauerer Betrachtung ist zu erkennen, dass einige der Grundlagen dafür vor langer Zeit geschaffen wurden ... In Einsteins Fall ... die Theorie der Brownschen Bewegung wurde lange vor der Erfindung von NMR entwickelt. Der heute insbesondere in den USA zu spürende Trend, nur Forschung zu unterstützen, die sich sofort am Krankenbett umsetzen lässt, verhindert meiner Ansicht nach die Möglichkeit, dass wir in 50 Jahren in der Lage sind, neuartige physikalische Prinzipien in der praktischen Medizin und in der biomedizinischen Forschung einzusetzen. Ich sollte auch noch erwähnen, dass die gesamte NMR-Forschung, die zu diesen Ergebnissen geführt hat, im Rahmen kleiner Forschungsprojekte erfolgt ist. Das war kein Riesenprojekt, das sich Politiker auf ihre Fahnen schreiben konnten und mit dem sie Werbung für ihre Unterstützung der Wissenschaften machen konnten. Das waren alles kleine Forschungsarbeiten. Und genau diese Art von Arbeit wird heute wenig unterstützt. Ich befürchte, dass wir die Folgen in den nächsten Jahrzehnten zu spüren bekommen werden. Danke. Applaus.

Kurt Wüthrich (2014)

A Personal View of the History of Nuclear Magnetic Resonance in Biology and Medicine

Kurt Wüthrich (2014)

A Personal View of the History of Nuclear Magnetic Resonance in Biology and Medicine

Abstract

In 1952, Felix Bloch and Edward Purcell were awarded the Nobel Prize in Physics for the description of the phenomenon of nuclear magnetic resonance (NMR). Over the years, NMR has been used in a wide range of fundamental studies in physics, and in the 1960s it became an important analytical tool in all branches of chemistry. Based on novel concepts and advances in instrumentation and computation, exciting developments in the early 1970s laid the foundations for magnetic resonance imaging (MRI) being a key technique in medical diagnostics today, and for NMR spectroscopy being a widely applied technique in modern structural biology. Here, I will review some basic concepts that enabled these developments.

References:
Wüthrich, K. (1987) Q. Rev. Biophys. 19, 3–5.
Nuclear magnetic resonance — from molecules to man.

Wüthrich, K. (2003) Angew.Chem. Int. Ed. 42, 3340−3363.
NMR studies of structure and function of biological macromolecules (Nobel Lecture).

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