Kurt Wüthrich (2015) - NMR in Biology, Chemistry and Medicine

For the discovery of the physics phenomenon of nuclear magnetic resonance (NMR), Felix Bloch and Edward Purcell were awarded the Nobel Prize in Physics in 1952. NMR has then been used in a wide range of fundamental studies in physics, and in the 1960s it also became an important analytical tool in chemistry

Well, thank you. NMR is an ideal theme for an interdisciplinary meeting considering that there have been explicitly Nobel Prizes for NMR in physics, chemistry, and medicine, and several dozen Nobel prizes in chemistry and physics depended heavily on applications of NMR. Let me start. Well, what do we expect today from NMR. We expect to get structures like this. Here you see a drug, you see a receptor of a drug. In chemistry, you want to characterize, this is a simple inorganic compound, you want to do measurements on dynamic processes. This compound. And then you go to the hospital and you get images like this one, which is of my left knee. You see, if you want to play football for an extended period of time, you have to have some ways to look at your joints from time to time. Ok, so that's what we expect today of NMR: Getting structures in chemistry, in biology, learning a lot about rate processes, conformational equilibria, and when we have some pains in our joints or in our head, then we want to get an MRI image. Now let me start with a piece of physics. In 1896, a Dutch physicist who was then a graduate student was looking at optical spectra of material. And then he observed that when he placed the samples into a magnetic field, there were so far unknown splittings in the optical spectra. This is now referred to as Zeeman Effect. There seems to be an interesting story about it because the head of the institute had strictly forbidden the students to place their samples into magnetic fields. Therefore the student lost his job. And when he got the Nobel prize six years later, the head of the department was dismissed and he became head of the department. That's what I read. (laughs) The splitting between these eigenstates of nuclear spins one have is very small. And it took half a century until transitions between the two states could actually be observed. And that was due primarily to the fact that the US Army had a lot of engineers and physicists working on the development of radar during the Second World War. And when these engineers and physicists came back from Army service, immediately there were very rapid advances in paramagnetic resonance spectroscopy based on klystron technology, and in radio frequency technology. And so in 1946, within about one month, two groups reported observations of the induced transitions between these very short energy differences. So one of these was a Swiss citizen, Felix Bloch, who worked at Stanford, the other one was Edward Purcell who worked at Harvard. So that was the Physics Prize in 1952. And I have known Felix Bloch quite well because he spent his last years in Zürich. He visited with us, and they never thought that NMR would be good for anything but more accurate measurement of gyromagnetic ratios and the likes. Then came a discovery made by others that the frequency of the NMR lines depended on the chemistry. So if you, this is a simple compound, a lumichrome, actually I am looking at the nitrogens in here and because the nitrogens in this compound are chemically different, you see distinct lines. This is called the chemical shift, and that enabled chemists to analyse the products of their synthesis to investigate natural products and so on and get to structures of small molecules. Then, this happened in the late 1950s and the early 1960s, but NMR had very low sensitivity, and because of the limitations of the magnetic field, that would be applied, also relatively low resolution. And only towards the end of the 1960s it became possible to use NMR also for large molecules. Now the background here is not meant to be here, but what you see here is a painting of one of the first protein molecules that had been studied by crystallography. You see in the 1960s, there were no computers that would be able to draw images of molecules, so this is an artist's painting based on the atomic coordinates. There is a museum in New York with about 300 paintings by Irving Geis, who did all these early illustrations. Now because we have a large number of chemically different spins one have in such a molecule, we get a large number of lines. You see in this particular protein, I don't want to go into details, but in this particular protein a few lines are very well separated along the frequency axis, but here there are hundreds of lines which are strongly overlapped. On the one hand, we use these lines to learn what we needed about spin physics in large molecules in solution, and we despaired about the fact that we couldn't work with this part of the spectrum because we had learned from here that we could get structures if we did things right. So we had to solve a problem and jointly with Prof. Ernst, who unfortunately is not here, at this meeting, we developed multidimensional NMR, I mean initially COSY, NOESY, SECSY, and FOCSY in 1982. The point is that, from the physics point of view, we introduce additional artificial time domains in addition to the running time. We would use tricks to introduce a second time axis, a third, fourth, today usually five to seven time axes. And even at two dimensions, we now have a frequency plane, and you see out of the overlapping spectrum, we get well-separated lines. So problem one, to deal with large molecules, had been solved. And Richard got the Nobel Prize in Chemistry in 1991. Now there was a second problem to be solved when trying to work with large molecules. And you may, you probably all attended the lecture by Professor Ramakrishnan on day one. And he said, I noted it down, That means, in crystallography, you essentially take a photograph of the resting molecule. It's a bit more complicated, but that's what it is. And in order to keep the molecules in place, actually crystallography of proteins is now done at liquid nitrogen temperatures, so that everything is frozen stiff. But of course proteins are in body fluids in solution, they move, they aren't frozen down. So we have Brownian Motion. I come back to that a bit later. What happens is that these molecules, let's assume you have a small, or a large protein, they undergo translational diffusion, and they also undergo rotational diffusion. So when we try to talk about that... It actually started this way, that we were able to find errors in crystal structures of proteins, that was a lot of fun. And so, but then the crystallographers, our dear colleagues, said, These motions happen on the nanosecond timescale and this will always give funny pictures." So you have to think a bit, and then you come to the solution. All you need are parameters that are invariant on the rotation and translation. And if you find the sufficient number of parameters that are invariant on the rotation and translation, then you only need to measure these and develop mathematical tools that can then visualize the structures from these rotation and translation invariant parameters. And one of these parameters is the distance between two atoms. If you have a given structure, then the distance between each pair of atoms is invariant on the rotation and translation. Ok, that's a key. So we measure NOE, so called nuclear Overhauser effect, this is a two dimensional spectrum, it's actually very old, this is from 1983, and each peak in here tells me that there is a pair of hydrogen atoms in a three dimensional protein that is at a distance of less than five angstrom. That was 2D NMR, then we had of course to assign each of these peaks to two particular points. Let me do this again. I usually demonstrate what happens with my belt. Ok? If I have thousands of these peaks and I don't know where those short distances are, then I will never find out what the structure is. But if I know that one of these peaks tells me that there is a short distance between the two ends then I have a ring. If I have another assigned short distance, then you have a three dimensional structure. If you have a helix, then you find that there is a short distance between every fourth residue along the helix. Ok? So that's how it works, except when you have that many peaks, then you need a computer, not a belt, to do the game. And then you get the three dimensional structure of the protein. Now let's move on to medicine. This is not a complicated molecule, this is water. And in water you have two spin one half nuclides and two protons and you cannot distinguish between the two. So you get only a single line. This seems sufficiently boring not to spend too much time with it. I actually spent several years of my early scientific life looking at only this line. There's an awful lot of information in this line. But we didn't have the key idea on how to make use of this simple spectrum. You see, this is very different from working with big molecules, which have lots of lines. Here you have only one line. Now comes the idea. Since the frequency of the transitions, of the NMR transitions, depends on the strength of the magnetic field, you can apply a gradient across microscopic objects. Now the frequency, and if you only see the water, always see the water, now all of sudden you are able to distinguish between water next to the right ear and water next to the left ear because the frequency is proportional to the magnetic field which varies across a macroscopic object. That means outside of the head we have this splitting, here we have a bit higher frequency, and here we have still a bit higher frequency. So we can, sorry, we get three lines: this is the water next to the left ear, this is the water next to the right ear. Now you do the same with field gradients from the back to front and from top down and then you have a very similar situation as we have with the distance constraints in macromolecules. We just have to develop imagery construction techniques and then we get an image of the head. And this is Paul Lauterbur and Peter Mansfield here in front of an MRI, who got the Physiology or Medicine Prize in 2003. Ok, so that's how NMR developed across the disciplines and became a useful and also economically important part of the game. I mean, there are ten thousands of high tech jobs in hospitals using MRI, and the business, as you know, there is an MRI at every corner in the Western world, and this is also economically an important business. Now let me go back to Brownian Motion and try to understand why all this works. And here we go much further back in history. Brownian Motion is named after a botanist in England, who in 1828 had some pollen. He was a botanist, so he worked with pollen, the pollen feel into a liquid, and then he took the microscope and under the microscope he saw that the pollen were moving in the liquid. And all he saw were such movements. He saw that small pollen would change more frequently direction of the transverse diffusion, and larger pollen would change direction more slowly. Now he published this, but he didn't understand what was going on. It took almost 80 years until that guy was very, very bored in Berne. He was in the Patent Office, he had actually a standing desk where he had to write down I don't know what, but he must have been very bored so he was thinking about Brownian motion. And one of his important papers in 1905, in May 1905, treated the translational diffusion of particles suspended in liquids. That was not all. I think that while he was working on the translation diffusion it must have occurred to him at some point that in addition to what Mr. Brown saw in 1826, there must also be rotational diffusion, because it's clear, it's a random process. You have thermally agitated solvent molecules that hit the suspended particles and that causes this random translational diffusion and therefore there must also be rotational diffusion. So that must have dawned in him during the summer of 1905 and in December 1905 he published a second paper. These papers are 40 pages long, very detailed descriptions in German, so it's easy for us to read, and we get the Stokes-Einstein Relation from this. Now the Stokes-Einstein Relation essentially says that there is a correlation time which depends on the radius of the suspended particle. This is all for spheres - I mean, if it's not spherical, then the mathematics get a bit more difficult. So for a sphere, the correlation time is proportional to the radius, third power, is proportional to the viscosity and inverse proportional to the temperature. And this correlation time, essentially in very qualitative terms, says something about the time that goes by after which the system has lost memory of what has happened to him before. Ok? And this correlation time determines all the key NMR parameters, in particular the nuclear Overhauser effect, which we used for the distance measurements, and the relaxation times. Those of you who have been in an MRI, you may remember that you got T1 weighted images of your head or your knees, or T2 weighted images. So this is now all, it's used all over the place. And all these parameters depend on this correlation time. Now we immediately know why, well let's not go too complicated yet. Now we all of a sudden understand why MRI works. We see the resonance of the water, but we don't have a background from the bones or from the muscles because there, the correlation time is so long that the signals are decayed before we ever have a chance to record them. And that's why we can make sharp images of the human body looking at the water, then clearly what we see is the soft tissue, rather than the bones, and now we understand thanks to Einstein. Ok? Now there is a little more to it. When you look at the time evolution of single transition basis operators, you get apparently difficult equations that describe the time evolution of the coherence. But then there are, do you see there are the relaxation terms? Now these are those terms that depend on the correlation time. And you go closer, then you see that there is a term, a relaxation term which has a sum of two quantities and another one which has a difference between two quantities. Now when this theory was developed in 1963, it was first described by Japanese physicist Shimizu, the magnetic fields were at about 60 megahertz for observatio ofl protons. And I think I have another picture here. Do I? No, I don't. Alright, I didn't want... What happens is that this difference, when this theory was developed, this difference was almost the same as the sum. Ok? In the meantime, the magnetic field strength has increased 15 fold, and the chemical shift anisotropy, the second term increases roughly proportional to the field strengths. Now in 1997, these two, we had exactly the field strength where these two were equal, and so this term became zero, and all we had to do is pick out the one transition where this term is zero and then we uncouple the NRM spectrum from the Brownian motion. See, the theory was developed almost 50 years before the technology was available to exploit it properly. The result was a method that was call TROSY, or transverse relaxation optimized spectroscopy, and there was a strict limit to the size of molecules that we could observe until about 1997. We all of a sudden now went to recording spectra of particles up to approximately 1,000,000 in molecular weight because now the NMR spectra were uncoupled from the Brownian motion. And I think that gets me to the end of my talk. I tried to illustrate to you that NMR really goes across the three disciplines that are represented here in this meeting. It has been a highly interdisciplinary venture to develop all this technology. You should consider that there were no program libraries around where we could get, packages of programs, of routines, as it is today. Everything had to be written by my students, in the case of macromolecular NMR, in the case of MRI, the software had to be developed by students. So it was, I mean, in my case, theoretical physicists, experimental physicists, we would build our own programmes and so on. And so it was a lot of fun and a really interdisciplinary effort that eventually went from biology all the way to computation science and theoretical physics. Thank you.

Gut, danke. Die NMR ist ein ideales Thema für eine interdisziplinäre Tagung, wenn man bedenkt, dass explizit Nobelpreise für NMR in Physik, Chemie und Medizin vergeben wurden, und mehrere Dutzend Nobelpreise in Chemie und Physik stark von der Anwendung der NMR abhing. Lassen Sie mich beginnen. Nun, was erwarten wir heute von der NMR. Wir erwarten, Strukturen wie diese zu erhalten. Hier sehen Sie ein Medikament, Sie sehen einen Rezeptor eines Medikaments. In der Chemie will man charakterisieren, hierbei handelt es sich um eine einfache anorganische Verbindung, man möchte Messungen an dynamischen Prozessen durchführen. Diese Verbindung. Und dann gehen Sie ins Krankenhaus und erhalten Bilder wie diese, ein Bild meines linken Knies. Wenn Sie für längere Zeit Fußball spielen wollen, braucht man eine Möglichkeit, um sich seine Gelenke von Zeit zu Zeit anschauen. OK, also das ist es, was wir heute von der NMR erwarten: Strukturen in der Chemie und Biologie zu erhalten, viel über Ratenprozesse zu lernen, Konformationsgleichgewichte, und wenn wir Schmerzen in den Gelenken oder in unserem Kopf haben, dann wollen wir ein MRT-Bild sehen. Lassen Sie mich jetzt mit einem Teil der Physik beginnen. Und dann beobachtete er, dass wenn er die Proben in ein Magnetfeld platzierte, es bisher unbekannte Trennungen in den optischen Spektren gab. Dies wird jetzt als Zeeman-Effekt bezeichnet. Es scheint eine interessante Geschichte darüber zu geben, weil der Leiter des Instituts den Studenten strengstens verboten hatte, ihre Proben in magnetischen Felder einzubringen. Daher verlor der Student seinen Job. Und als er sechs Jahre später den Nobelpreis erhielt, wurde der Leiter der Fakultät entlassen und er wurde Leiter der Fakultät. Das ist das, was ich darüber gelesen habe. (Gelächter) Die Trennung zwischen diesen Eigenzuständen von Kernspins ist sehr klein. Und es dauerte ein halbes Jahrhundert bis die Übergänge zwischen den beiden Zuständen tatsächlich beobachtet werden konnten. Und das beruhte vor allem auf der Tatsache, dass die US-Armee eine Menge Ingenieure und Physiker hatte, die an der Entwicklung des Radars während des zweiten Weltkriegs arbeiteten. Und als diese Ingenieure und Physiker aus dem Militärdienst zurückkamen, gab es sofort eine sehr rasante Entwicklung der paramagnetischen Resonanzspektroskopie auf der Grundlage der Klystron-Technologie und in der Hochfrequenztechnik. Und 1946, innerhalb etwa eines Monats, berichteten zwei Gruppen von Beobachtungen der induzierten Übergänge zwischen diesen sehr kurzen Energie-Unterschieden. Einer von Ihnen war der Schweizer Felix Bloch, der in Stanford arbeitete, der andere war Edward Purcell, der an der Harvard University arbeitete. Hierbei handelte es sich also um den Physik-Preis 1952. Ich kannte Felix Bloch ganz gut, weil er seine letzten Lebensjahre in Zürich verbrachte. Er besuchte uns und sie hätten nie gedacht, dass NMR für irgendetwas anderes gut wäre als eine genauere Messung des gyromagnetischen Verhältnisses usw. Dann wurde von anderen entdeckt, dass die Frequenz der NMR-Linien von der Chemie abhängig ist. Wenn Sie also - dies ist eine einfache Verbindung, ein Lumichrom, eigentlich schaue ich mir die Stickstoffe hier an und da die Stickstoffe in dieser Verbindung chemisch unterschiedlich sind, sehen Sie unterschiedliche Linien. Dies nennt man die chemische Verschiebung, und die ermöglichte es Chemikern die Produkte von deren Synthese zur Untersuchung von natürlichen Produkten usw. zu analysieren und Strukturen kleinerer Moleküle zu erhalten. Dann passierte dies in den späten 1950er und frühen 1960er Jahren, aber NMR hatte eine sehr niedrige Empfindlichkeit, und aufgrund der Einschränkungen des magnetischen Feldes, das angewandt werden konnte, auch eine relativ niedrige Auflösung. Und erst gegen Ende der 1960er Jahre wurde es möglich, auch NMR für große Moleküle zu verwenden. Der Hintergrund soll hier nicht zu sehen sein, aber was Sie hier sehen, ist eine Zeichnung eines der ersten Proteinmoleküle, das mithilfe der Kristallographie studiert wurde. In den 1960er Jahren gab es keine Computer, die zum Zeichnen von Bildern der Moleküle in der Lage gewesen wären, die ist also eine Zeichnung eines Künstlers basierend auf den atomaren Koordinaten. Es gibt ein Museum in New York mit rund 300 Gemälden von Irving Geis, der all diese frühen Abbildungen anfertigte. Da wir eine große Anzahl von verschiedenen chemischen Spins in solch einem Molekül haben, erhalten wir eine große Anzahl von Linien. In diesem bestimmten Protein, ich möchte nicht ins Detail gehen, aber in diesem bestimmten Protein sind ein paar Linien sehr gut entlang der Frequenz-Achse getrennt, aber hier gibt es Hunderte von Linien, die stark überlappen. Einerseits, verwenden wir diese Linien, um zu erfahren, was wir über Spinphysik in großen Molekülen in Lösung wissen wollen, und wir verzweifelten an der Tatsache, dass wir mit diesem Teil des Spektrums nicht arbeiten konnten, weil wir gelernt hatten, dass wir von hier aus Strukturen erhalten konnten, wenn wir die Dinge richtig angingen. Wir mussten also ein Problem lösen und gemeinsam mit Prof. Ernst, der leider nicht bei dieser Tagung ist, entwickelten wir mehrdimensionale NMR, ich meine zunächst COSY, NOESY, SECSY und FOCSY im Jahr 1982. Was ich hier sagen will, ist, dass aus Sicht der Physik, wir zusätzliche künstliche Zeit-Domänen zur Ausführungszeit einführen. Wir verwendeten Tricks, um eine zweite, dritte, vierte Zeitachse einzuführen, heute in der Regel werden fünf bis sieben Achsen verwendet. Und selbst bei zwei Dimensionen, haben wir jetzt einen Frequenz-Plan, und Sie sehen anstatt des überlappenden Spektrums erhalten wir gut getrennte Linien. Das erste Problem, mit großen Molekülen umzugehen, war also gelöst. Und Richard erhielt den Nobelpreis in Chemie 1991. Nun gab es ein zweites Problem, das gelöst werden musste, wenn man versuchte, mit großen Molekülen zu arbeiten. Sie haben wahrscheinlich alle den Vortrag von Professor Ramakrishnan am ersten Tag besucht. Und er sagte, ich habe es notiert: Das bedeutet, dass man in der Kristallographie im Wesentlichen ein Foto des ruhenden Moleküls macht. Es ist ein bisschen komplizierter, aber darum geht es im Grunde genommen. Und um die Moleküle an einer Stelle zu halten, erfolgt die Kristallographie von Proteinen nun bei flüssigen Stickstoff-Temperaturen, damit alles steif gefroren ist. Aber natürlich befinden sich Proteine in Körperflüssigkeiten in einer Lösung, sie bewegen sich, sie sind nicht an einen Punkt gefroren. Wir haben also die Brownsche Bewegung. Ich komme auf dies ein wenig später zurück. Was passiert, ist, dass diese Moleküle - nehmen wir mal an, Sie haben ein kleines oder ein großes Protein, und sie werden einer translationale Diffusion sowie einer Rotationsdiffusion unterzogen. Wenn wir also versuchen darüber zu reden... Dann begann es tatsächlich auf diese Weise, die uns in die Lage versetzte, Fehler in Kristallstrukturen von Proteinen zu finden und das machte viel Spaß. Aber dann sagten die Kristallographen, unsere lieben Kollegen: Diese Bewegungen erfolgen auf eine Nanosekunden-Zeitskala und hier erhält man immer lustige Bilder". Also muss man ein bisschen nachdenken, und dann findet man die Lösung. Alles was man braucht, sind Parameter, die bezüglich Rotation und Translation invariant sind. Und wenn Sie die ausreichende Anzahl von Parametern finden die bezüglich der Rotation und Translation invariant sind, dann müssen Sie diese nur messen und mathematische Tools entwickeln, die dann die Strukturen aufgrund dieser Rotation und Translation invarianten Parametern visualisieren können. Und einer dieser Parameter ist der Abstand zwischen zwei Atomen. Wenn Sie eine bestimmte Struktur haben, dann ist der Abstand zwischen jedem Paar von Atomen zu der Rotation und Translation invariant. Das ist also der Schlüssel. Wir messen also den NOE, den sogenannten Kern-Overhauser-Effekt, dabei handelt es sich um ein zwei dimensionales Spektrum - tatsächlich ist es sehr alt, dies hier stammt von 1983, und jede Spitze hier zeigt an, dass es aus zwei Wasserstoff-Atomen in einem drei dimensionalen Protein besteht, das weniger als fünf Angström entfernt ist. Hierbei handelte es sich um eine 2D NMR, denn natürlich mussten wir jede dieser Spitzen zwei bestimmten Punkten zuweisen. Lassen Sie mich dies noch einmal wiederholen. Für gewöhnlich zeige ich was passiert mit meinem Gürtel. Okay? Wenn ich Tausende dieser Spitzen habe und ich nicht weiß, wo sich diese kurzen Abstände befinden, dann erfahre ich nie, was die Struktur ist. Wenn ich aber weiß, dass eine dieser Spitzen mir sagt, dass ein kurzer Abstand zwischen den beiden Enden besteht, dann habe ich einen Ring. Wenn ich eine andere zugewiesene kurze Entfernung habe, dann erhält man eine dreidimensionale Struktur. Wenn Sie eine Helix haben, dann sehen Sie, dass es eine kurze Entfernung zwischen jedem vierten Rückstand entlang der Helix gibt. Okay? So funktioniert es also, wenn Sie aber so viele Spitzen haben, dann brauchen Sie einen Computer, keinen Gürtel, um dies zu illustrieren. Und dann erhalten Sie die dreidimensionale Struktur des Proteins. Gehen wir jetzt in den Bereich der Medizin. Hier sehen Sie kein kompliziertes Molekül, das ist Wasser. Und in Wasser haben Sie zwei Spins, eine Hälfte sind Nuklide und zwei Protonen, und Sie können zwischen den beiden nicht unterscheiden. Sie erhalten also nur eine einzige Linie. Dies scheint ausreichend langweilig, um damit nicht zu viel Zeit zu verbringen. Ich habe mehrere Jahre meines frühen wissenschaftlichen Lebens damit verbracht, mir nur diese eine Linie anzuschauen. Es gibt eine Menge von Informationen in dieser Linie. Aber wir wussten nicht, wie wir dieses einfache Spektrum verwenden könnten. Dies unterscheidet sich sehr von der Arbeit mit großen Molekülen, bei der man viele Linien hat. Hier haben Sie nur eine Linie. Und hier ist der Lösungsweg. Da die Häufigkeit der Übergänge, der NMR-Übergänge, von der Stärke des Magnetfeldes abhängig ist, können Sie einen Gradienten über mikroskopische Objekte anwenden. Mit der Frequenz können Sie nun - und wenn Sie nur das Wasser sehen, Sie sehen immer nur das Wasser, - jetzt plötzlichen können Sie zwischen Wasser neben dem rechten Ohr und Wasser neben dem linken Ohr unterscheiden, da die Frequenz proportional zum Magnetfeld ist, die über ein makroskopisches Objekt variiert. Das bedeutet außerhalb des Kopfes, haben wir diese Aufteilung, hier haben wir eine ein wenig höhere Frequenz, und hier haben wir eine noch ein wenig höhere Frequenz. Wir können also - Entschuldigung - wir erhalten also drei Linien: Hier ist das Wasser neben dem linken Ohr, und hier ist das Wasser neben dem rechten Ohr. Jetzt tun Sie dasselbe mit einem Feld-Gradienten von hinten nach vorne und von oben nach unten und dann erhalten Sie eine sehr ähnliche Situation, wie wir sie mit der Distanzeinschränkung in Makromolekülen erhalten. Wir müssen nur Bildkonstruktionstechniken entwickeln und dann erhalten wir ein Bild des Kopfes. Und das ist Paul Lauterbur und Peter Mansfield hier vor einem MRT, die den Physiologie- bzw. Medizin-Preis 2003 erhielten. So entwickelte sich also die NMR in den verschiedenen Disziplinen und wurde zum fachlich-nützlichen und auch wirtschaftlich wichtigen Bestandteil. Ich meine, es gibt Zehntausende von High-Tech-Arbeitsplätzen in Krankenhäusern mit MRT, und für die Industrie, wie Sie wissen, ist eine MRT fast überall in der westlichen Welt verfügbar, und das ist auch wirtschaftlich gesehen ein wichtiger Faktor. Nun gehen wir noch einmal zurück zur Brownschen Bewegung, um zu verstehen, warum dies alles funktioniert. Und hier gehen wir viel weiter in der Geschichte zurück. Die Brownsche Bewegung wurde nach einem Botaniker in England benannt, der 1828 einige Pollen hatte. Er war ein Botaniker, er arbeitete also mit Pollen, diese fielen in Flüssigkeit, und er nahm dann das Mikroskop und unter dem Mikroskop sah er, dass sich die Pollen in der Flüssigkeit bewegten. Und alles, was er sah, waren solche Bewegungen. Er sah, dass die kleinen Pollen häufiger die Richtung der transversalen Diffusion wechselten, und die größeren Pollen änderten die Richtung langsamer. Er veröffentlichte dies, aber er verstand nicht, was da vor sich ging. Es dauerte fast 80 Jahre, bis es jemandem in Bern sehr, sehr langweilig war. Er arbeitete im Patentamt, er arbeitete an einem Standpult, wo er irgendwelche Dinge aufschreiben musste, aber er muss sehr gelangweilt gewesen sein, denn er begann über die Brownsche Bewegung nachzudenken. Und einer seiner wichtigsten Abhandlungen 1905, im Mai 1905, befasste sich mit der translationalen Diffusion von Partikeln in Flüssigkeiten. Das war nicht alles. Ich glaube, dass während er an der translationalen Diffusion arbeitete, muss ihm irgendwann in den Sinn gekommen sein, dass zusätzlich zu dem, was Herr Brown 1826 sah, es auch eine Rotationsdiffusion geben muss, denn es war klar, dass es sich um einen zufälligen Prozess handelte. Sie haben thermisch angeregte Lösungsmittelmoleküle, die die suspendierten Teilchen anstoßen und das sorgt für diese zufällige translationale Diffusion und daher muss es auch Rotationsdiffusion geben. Dass muss ihm also im Sommer 1905 in den Sinn gekommen sein, und im Dezember 1905 veröffentlichte er eine zweite Abhandlung. Diese Abhandlungen sind 40 Seiten lang, sehr detaillierten Beschreibungen in Deutsch, also sehr leicht für uns zu lesen, und wir erhalten daraus die Stokes-Einstein-Beziehung. Die Stokes-Einstein-Beziehung besagt im Wesentlichen, dass es eine Korrelationszeit gibt, die vom Radius des Schwebeteilchens abhängt. Dabei handelt es sich bei den Kugeln - ich meine, wenn es nicht sphärisch ist, dann wird es ein bisschen schwieriger. So ist es also bei Kugeln, die Korrelationszeit ist proportional zum Radius hoch drei, ist proportional zur Viskosität und invers proportional zur Temperatur. Und diese Korrelationszeit, in sehr qualitativer Hinsicht, sagt im Wesentlichen etwas über die Zeit aus, die vergeht, nachdem das System vergisst, was davor mit ihm geschehen ist. Okay? Und diese Korrelationszeit bestimmt alle Schlüsselparameter der NMR, insbesondere den NOE, den wir für die Entfernungsmessung und die Relaxationszeiten verwendeten. Diejenigen von Ihnen, die schon einmal in einem MRT-Scanner lagen, erinnern sich vielleicht, dass Sie T1-gewichtete Bilder von Ihren Kopf oder Ihrem Knie oder T2-gewichtete Bilder erhalten haben. Diese werden überall verwendet. Und alle diese Parameter hängen von dieser Korrelationszeit ab. Jetzt wissen wir sofort warum, wir müssen jetzt noch nicht zu kompliziert werden. Jetzt verstehen wir plötzlich, warum die MRT funktioniert. Wir sehen die Resonanz des Wassers, aber wir haben keinen Hintergrund der Knochen oder der Muskeln, weil dort die Korrelationszeit so lange ist, dass die Signale zerfallen, bevor wir jemals eine Chance erhalten, diese aufzuzeichnen. Und deshalb können wir scharfe Bilder des menschlichen Körpers machen, wenn wir auf das Wasser schauen, denn wir sehen ganz klar die Weichteile, anstatt die Knochen und jetzt verstehen wir es dank Einstein. Okay? Es steckt noch es wenig mehr dahinter. Wenn Sie sich die zeitliche Entwicklung der einzelnen grundlegenden Übergangsoperatoren betrachten, erhält man komplexe Gleichungen, die die Zeitentwicklung der Kohärenz beschreiben. Aber dann gibt es, sehen Sie, dann gibt es die Relaxationsraten. Diese Raten hängen also von der Korrelationszeit ab. Wenn man es sich näher betrachtet, dann sehen Sie, dass es eine Rate gibt, eine Relaxationsrate, die der Summe zweier Mengen entspricht und eine andere, die einen Unterschied zwischen zwei Mengen aufzeigt. Als diese 1963 entwickelt wurde, wurde sie zuerst vom japanischen Physiker Shimizu beschrieben, betrugen die Magnetfelder etwa 60 Megahertz für die Beobachtung von Protonen. Ich glaube, dass ich hier ein weiteres Bild habe. Habe ich eins? Nein, ich habe keins. Okay, ich wollte nicht... Was passierte ist, dass dieser Unterschied, als diese Theorie entwickelt wurde, dieser Unterschied fast das Gleiche wie die Summe ergab. Okay? In der Zwischenzeit hat sich die magnetische Feldstärke um das 15-fache verstärkt und die chemische Verschiebungsanisotropie, die zweite Rate, erhöhte sich etwa proportional zu der Feldstärke. so entsprach diese Rate Null und alles, was wir tun mussten, war diesen einen Übergang zu wählen, wo diese Rate Null entspricht, um dann das NRM-Spektrum von der Brownschen Bewegung zu entkoppeln. Die Theorie wurde also fast 50 Jahre bevor die Technologie zur Verfügung stand, entwickelt, bevor man es richtig nutzen konnte. Das Ergebnis war eine Methode, die TROSY, oder transverse relaxationsoptimierte Spektroskopie, genannt wurde, und es gab eine strenge Begrenzung der Größe der Moleküle, die wir bis etwa 1997 beobachten konnten. Wir nahmen ganz plötzlich Aufnahmen von Spektren von Partikeln bis zu rund 1.000.000 Molekulargewicht vor, da nun die NMR-Spektren aus der Brownschen Bewegung abgekoppelt werden konnten. Und ich glaube, dies bringt mich zum Ende meiner Rede. Ich habe versucht, Ihnen zu veranschaulichen, dass die NMR wirklich drei verschiedene Disziplinen berührt die bei dieser Tagung vertreten sind. Es handelte sich um eine hoch interdisziplinäre Erfahrung diese Technologie zu entwickeln. Man sollte hier auch nicht vergessen, dass es keine Programmbibliotheken gab, wo wir Programmenpakete, Routinen, wie es sie heute gibt, erhalten konnten. Alles musste von meinen Studenten programmiert werden, im Falle der Makromolekularen NMR sowie bei der MRT, die Software musste von Studenten entwickelt werden. In meinem Fall programmierten theoretische Physikern, Experimentalphysiker, unsere eigenen Programme usw. Es machte also sehr viel Spaß und wir benötigten eine wirklich interdisziplinäre Zusammenarbeit, die schließlich von der Biologie bis hin zu Computerwissenschaft und theoretischer Physik gelangte. Danke.

Kurt Wüthrich (2015)

NMR in Biology, Chemistry and Medicine

Kurt Wüthrich (2015)

NMR in Biology, Chemistry and Medicine

Abstract

For the discovery of the physics phenomenon of nuclear magnetic resonance (NMR), Felix Bloch and Edward Purcell were awarded the Nobel Prize in Physics in 1952. NMR has then been used in a wide range of fundamental studies in physics, and in the 1960s it also became an important analytical tool in chemistry. Based on novel concepts and advances in NMR instrumentation and informatics tools, exciting developments in the early 1970s laid the foundations for magnetic resonance imaging (MRI), which is today a key technique in medical diagnosis, and for the use of NMR spectroscopy in modern structural biology. These achievements have been recognized by Nobel prizes to four scientists, and a fundamental understanding of their achievements is greatly helped by work of Albert Einstein in 1905. NMR thus is one of many research areas where the results of basic research during the first half of the 20th century provided the basis for technological breakthroughs in the second half of the 20th and into 21st century, which now support all branches of chemistry, structural biology, drug discovery and clinical diagnosis.

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