Kurt Wüthrich (2016) - NMR in Physics, Structural Biology and Medical Diagnosis

Well, thank you, Astrid. I think I should say right at the outset that we are now going to talk about down-to-earth science. NMR stands for nuclear magnetic resonance. And I am going to discuss how this physics phenomenon is presently used in structural biology and structural chemistry as well as in medical diagnoses. I’ll spend the first few minutes trying to give you an impression of what we can do with nuclear magnetic resonance today – on the one hand from studying intact bodies on the other hand studying molecules. Here you have protein structure in light blue, a drug molecule attached to it. Then you take the drug away, you can study the surface of the protein and try in a rational way to improve existing drugs or discover new drugs. Now, the special thing about using NMR for such studies is that we work in solution. You will see in the following talks this morning that crystallography, or more recently cryo-electron microscopy, makes pictures of such molecules in some ways similar to taking photographic pictures. For us the question arises, how can we make a short picture if those particles are in solution and undergo random stochastic motions on a nanosecond timescale? Another application of the NMR principle helps to see bodily harm. Now, you see this is my right knee in ’89, so about 20-some years ago. And I need to have a look at my knee. And I still have to have a look at my knee. You see Peter Badge took a lot of photographs of me, once during a training session some 10 months ago. And my knee still looks ok. Comparing knee to knee in 1989 and now in February 29 of this year shows that the knee is still ok. So I continue to play football. And you also see the advance made from ’89 to 2016 in the quality of the pictures that we get. Now here the physics question arises, why do we get contrast? Why do we get good contrast in these images? Why can we distinguish between bone and tendons and muscles and water? And actually, it is so that we only see the water and all the remainders of the imagine are inferred from observing the water. What is the physics basis for this? Well, this goes a long way back. In 1827 an English botanist, Mr. Brown, made the following observation. He carelessly dropped pollen from his plants. He was a botanist so he had pollen and he dropped pollen into a beaker with water. And the pollen broke so he had pieces of variable size. And then he looked at this mess under the microscope. And in contrast to his expectations those smaller and larger particles didn’t stand still in the water. They moved laterally and they moved in random ways. And he published this in 1827 and had no idea as to the background of this observation. And now you will be surprised. This is Robert Brown who solved the problem. Einstein – this is hardly ever mentioned among physicists. What happened in 1905 is that Einstein started this year with a publication that analysed the lateral diffusion as observed under the microscope by Mr. Brown about 100 years earlier. That was also in many ways the start of statistical mechanics. I mean the key is that he understood that the thermal motion, the thermal energy of the solvent consisting of much smaller molecules than these particles that Mr. Brown observed, are the reason for the stochastic translational diffusion that Brown observed. Then I think Einstein must have been distracted by other work, much less important for me, such as the special relativity theory which he published in July. And then the magnet optic effect which he published in August. And then he sat down again to do serious work and in December he published a second paper. It must have taken him a few months to realise that if he had this coupling between the thermal agitation of the solvent molecules and solute, that this must induce not only translational diffusion but also rotational diffusion. And so he published the second paper on the rotational Brownian motion in December of 1905. So that was the 4th paper of Einstein’s production of that year. And that is the key to understanding what we see in NMR and how we can conduct and continuously improve the NMR techniques in solution. And the relation that goes down to very simple principles. We have the Stokes-Einstein relation which essentially says that there is a correlation time that describes the length during which a particle keeps memory of his past and that this correlation time is proportional to the third power of the radius of the particle, if you represent the particle with an equivalent sphere. And then the size of the particle determines all the relevant NMR parameters, longitudinal, transverse, relaxation time and the nuclear Overhauser effect. Now it is so that depending on the relative frequency of the rotational Brownian motion and the Larmor frequency used to observe the NMR signal we either are in spin physics of conservative transitions or dissipative transitions. And the reason why we can determine NMR structures of proteins is that we are in this regime. In this regime it would be literally impossible, or at least very much more difficult, that is the regime of small molecules. I mean water would fall into here. And so we now understand why we see contrast in imaging. So water molecules in our body still move rapidly and give a sharp signal. Bones, muscles, tendons are far beyond good and bad. They don’t move at all. The signals are gone. And that’s why we can do magnetic resonance imaging observing only the water molecule. On the other hand, if we want to use NMR in structural biology, we have to make sure that we are in the regime of conservative transitions between the spin levels. Actually, that was the most important thing I had to say today. And let me now briefly remind you of what NMR is all about. The simplest case is when you look at the spin-½, you have 2 eigenstates. And in the absence of a magnetic field the 2 states of a spin-½ are degenerate, cannot be distinguished. In 1896 Zeeman observed in optical spectra that there was fine structure splitting - it’s a very small energy. And he actually lost his job, that’s important for the students here. Zeeman was a graduate student and, for some reason that I think nobody can really understand, he had to study the optical spectra of some materials. And his thesis advisor had strictly prohibited the use of magnetic field for these experiments. He disobeyed, put the sample into a magnetic field and observed the Zeeman effect. Then he lost his job and 6 years later he got the Nobel Prize. And his thesis advisor lost his job and he became director of the institute. (Laughter) That’s a very important message. So Zeeman observed the splitting. Now, this splitting is of very low energy in the radio frequency range. And there was no way to directly observe transitions between this level until after World War 2 where hordes of scientists came back from the US army, having worked on radar developments. And they had the techniques available to observe these very low energy transitions between the Zeeman levels of nuclear spins and in parallel also between the corresponding levels of electron spin. So here you see Pieter Zeeman. It is perhaps also interesting to notice that Albert Einstein visited Zeeman in his lab, sometime around 1920. So you see networking was important a long time ago. Then, as I mentioned, after the war Felix Bloch and Edward Purcell, who got the Physics Nobel Prize in 1952, were able to directly detect the transitions between the 2 energy levels of spin-½ nuclei. Now, if you look at water, you see only one line. Let’s assume oxygen has no spin, for our purpose we have a spin-½ in 2 equivalent hydrogen atoms of the water and that gives a single line. That seems reasonably uninteresting. I have worked several years in the 1960s looking at this line. And what actually today are contrast agents in MRI, we didn’t know this at the time. You just add paramagnetic particles and observe how this affected the parameters in the water. Others had a much smarter idea which is the following: In addition to the external magnetic field, they would apply a magnetic field gradient across microscopic objects. So we always see only the water. That’s too simple. So the spectrum had to be made more complicated. So you take about 100 recordings across the head, at an always slightly different field. That means when you go across the head, the resonance condition changes. And when you get 3 lines with 3 different positions of the head you do this in 3 dimensions. And then you develop some mathematical tools and you get images. Now you see it can also be done of the head, not only of the knee. Paul Lauterbur and Peter Mansfield got the Medicine Prize in 2003 for this achievement. And you can see such a magnet is quite a frightening thing to look at. Even today there is an awful lot of noise when you are inside. It’s like being subjected to the noise of a machine gun. I was amazed when I went back into it in February that this has not improved. Now, when we worked in this field early on we worked with new born infants. This was in the 1980s. We didn’t have a whole-body magnet, we had a smaller magnet which could be used for babies up to about 1 year old. But usually we would study babies that had between age 2 days and 3 weeks, usually with heavy trauma to the head. And we couldn’t sedate these kids with chemicals. We had to ask the parents to come in and just hold the baby until it fell asleep and we could push it into the magnet. Now, the parents were extremely frightened about the magnet. And so we built a fairy house. (Laughter. Applause) This is Chris Boesch, a physics student who is now head of radiology at the University of Bern. Now let’s turn to structural biology. I give you a few years so that you see the chronological development. This picture is from 1969. It shows a particular protein, cytochrome c. There were no computers which could make a drawing. That was long in the future. So there was an artist, Irving Geis, who would prepare drawings and paintings of the molecules based on the atomic coordinates that had at that time been determined by X-ray crystallography. There is a museum in New York with about 300 of these paintings. Now we have a different situation. Before we were looking at the water we had to make the water spectrum more complicated in 3 dimensions, in each dimension 100 recordings. And that gives a reasonably complex spectrum to deal with. Now, here the macro molecule presents us with a complex spectrum and 100s of lines overlap. You see, it should be like this but that’s what it was. So some other way it had to be done and that is to introduce an artificial time axis and to go from one-dimensional to multi-dimensional NMR. And then you have to sell this. So we had in 1982 in collaboration with Richard Ernst we had COSY, NOESY, SECSY and FOCSY. This you can sell. SECSY stands for spin-echo correlated spectroscopy. If you use this word 300 times in a publication nobody will read it. And that’s how a 2-dimensional spectrum looks. You see now you have the added artificial time axis, a 2-dimensional Fourier transformation gets us into 2-dimensional frequency space. But now the lines that all used to be on the single frequency axis move out into the plain and are reasonably well separated. And Richard Ernst got the Chemistry Nobel Prize in 1991. Then we had to do something with these well-resolved spectra. And the problem now is that the particle of which we want to get a high-resolution structure moves at random frequencies - I am not talking about momentum or similar, it is stochastic movements in the frequency range of 10^-11 to 10^-9 or there abouts. So the solution to the problem is to find parameters that determine the structure but are invariant on the rotational and translational motion. And one such quantity is the distance between 2 atoms. This is a scale and as long as the structure stays intact they can translate and rotate at any frequency. So the distance will remain the same. And that was the solution to the problem: with the so-called nuclear Overhauser effect we can measure the inverse 6 power of the distance between atoms inside a micro molecule. And then we have the correlation function which we could read in ways that would not interfere with these distance measurements. And with the 2-dimensional experiments we will get plenty of peaks. Each peak represents a distance between 2 atoms in the structure. And all it needed was a few years of developing algorithms that could then transfer the high-dimensional distance space back into 3-dimensional space where we could present the structures. And that was the first structure that we had solved in 1984. And that was then also good enough for a trip to Stockholm, much, much later of course. Ok, the final thing which is perhaps also of some interest for physicists is that when we went into the conservative regime of spin physics we were in good shape to work with small molecules, such as the one that I had shown before. But then we would - this is an old picture, it shows the size distribution of the proteins for which the structure had been studied. It goes up to about 30 kilodalton and that was the end of it. You see there are a lot of membrane proteins. You will hear more about this from my colleagues who use crystallography for these studies. But in order to be able to apply the method to membrane proteins, we had to beat that size limit and be able to work in the range from 60 kilodalton upward. And for this we would study systems of 2 coupled spins-½, typically 15N and 1H or it could also be done with methyl groups out on the periphery of amino acid side chains. But you need microbiology to introduce nitrogen 15 at high concentration into the polypeptide chain. When you have a 2-spin-½ system you get 4 transitions between the combined eigenstate of which now is a spin system of spin-1. And it turns out that only 1 of the 4 transitions is under certain circumstances coupled to the Brownian motion. One of the transitions can be uncoupled from the Brownian motion and that then enables to beat the size limit. Here you see the fine-structure of a peak of such a nitrogen 15 hydrogen group. And you can see that one of the 4 components, I am talking about these 4 transitions: So the point was to select this peak only, throw away 75% of the intensity and gain about a factor of 50 in the end. And that led to TROSY in 1997, Transverse Relaxation Optimised Spectroscopy. I mean you can just write out the evolution of single transition basis operators, then you have a few relaxation terms which destroys the spectrum when you go to large molecules. And there you have 2 of these relaxation terms which include the difference between a dipole-dipole coupling and the so-called chemical-shift anisotropy coupling. Now it is so that the chemical-shift anisotropy coupling is very strongly dependent on the magnetic field, here given as corresponding hydrogen resonant frequency, whereas the dipole coupling is essentially invariant, to a very good approximation invariant, of the strength of the magnetic field. Now, this had been recognised long ago, in the 1960s. But then the highest available magnetic field was here. So there was no use for this theory. And then by 1997 we had the magnet here and then p minus Delta vanishes and 1 of the 4 components in the 2-spin system is now uncoupled from the Brownian motion. And we could go as far as studying particles of 1 million molecular weight in solution, such as the complex of GroEL with GroES, and we will get this sort of a spectrum. And I hope that, even speaking about terrestrial experiments, I could give you an impression of the importance of basic physics research for practical applications. I mean the use of NMR today has major impact in medical diagnoses. Football would be essentially impossible today if the MRI were not available for the players after the game. And it plays an important role, jointly with X-ray crystallography, in providing the basis for rational drug design and improvement of existing drugs. And I am impressed, actually, and very happy to be in this field, which shows that basic research that dates back 200 years to Mr. Brown, who dropped his pollen into a water beaker, led to applications which can now day to day make improvements to the quality of human life. And I think we should remind our politicians how important it was that Einstein had the liberty of working on the Brownian motion long before having an idea that there would ever be an NMR experiment. Zeeman had no idea that there would be an NMR experiment, not to speak of Mr. Brown. And I think you might want to take this along and keep enthusiastic about doing basic research in physics. Thank you.

Vielen Dank, Astrid. Ich sollte gleich hier am Anfang erwähnen, dass wir jetzt über bodenständige Wissenschaft sprechen werden. NMR ist die Abkürzung für nuclear magnetic resonance, oder auf Deutsch Kernspinresonanz oder magnetische Kernresonanz. Ich werde darüber sprechen, wie dieses physikalische Phänomen derzeit in der Strukturbiologie und der Strukturchemie sowie in der medizinischen Diagnostik eingesetzt wird. Ich werde die ersten paar Minuten versuchen, Ihnen einen Eindruck zu vermitteln, was wir heute mit der Kernspinresonanz machen können – einerseits bei der Untersuchung intakter Körper und andererseits bei der Untersuchung von Molekülen. Hier ist eine Proteinstruktur in hellem Blau mit einem angehängten Pharmamolekül. Dann entfernt man das Medikament, man kann die Oberfläche des Moleküls untersuchen und versuchen, auf rationalem Weg existierende Medikamente zu verbessern oder neue Medikamente zu entwickeln. Nun, das Spezielle bei der Benutzung der NMR für solche Untersuchungen ist, dass wir in Lösung arbeiten. Sie werden in den folgenden Vorträgen heute Morgen sehen, dass die Kristallografie oder in jüngster Zeit die Kryo-Elektronenmikroskopie Bilder solcher Moleküle macht, die in mancher Hinsicht der Aufnahme eines Fotos ähnlich ist. Für uns stellt sich die Frage, wie wir ein schnelles Bild machen können, wenn diese Partikel in Lösung sind und schnelle, zufällige Bewegungen auf der Nanosekundenskala durchführen? Eine weitere Anwendung des NMR-Prinzips hilft, Körperverletzungen zu sehen. Hier sehen Sie mein rechtes Knie im Jahr 1989, also vor etwas mehr als 20 Jahren. Ich muss einen Blick auf mein Knie werfen. Ich muss immer noch einen Blick auf mein Knie werfen. Wissen Sie, Peter Badge machte einmal während einer Trainingssitzung vor etwa 10 Monaten eine Menge Aufnahmen von mir. Mein Knie sieht immer noch gut aus. Wenn man mein Knie im Jahr 1989 mit dem am 29. Februar dieses Jahres vergleicht, zeigt sich, dass es immer noch gut ist. Also werde ich weiter Fußball spielen. Sie sehen also den Fortschritt, den wir in der Qualität der erhaltenen Bilder zwischen 1989 und 2016 erzielt haben. Nun stellt sich die physikalische Frage, wo kommt der Kontrast her? Warum erhalten wir auf diesen Bildern einen guten Kontrast? Warum können wir zwischen Knochen und Bändern und Muskeln und Wasser unterscheiden? Tatsächlich sehen wir nur Wasser, der Rest auf den Bildern ist eine Schlussfolgerung aus der Beobachtung des Wassers. Was ist die physikalische Grundlage dafür? Die Geschichte reicht lange zurück. Im Jahr 1827 machte ein englischer Botaniker, Mr. Brown, die folgende Beobachtung. Unvorsichtigerweise verschüttete er Pollen seiner Pflanzen. Er war ein Botaniker, also besaß er Pollen, und er ließ den Pollen in ein Glas Wasser fallen. Der Pollen zerbrach und er hatte unterschiedlich große Stücke. Und dann sah er sich das Durcheinander unter dem Mikroskop an. Entgegen seiner Erwartung verhielten sich diese kleineren und größeren Teilchen im Wasser nicht ruhig. Sie bewegten sich unregelmäßig hin und her. Er veröffentlichte dies im Jahr 1827 und hatte keine Idee, was der Hintergrund seiner Beobachtung war. Und jetzt werden Sie überrascht sein. Dies ist Robert Brown, der das Problem löste. Einstein – kaum jemals wird unter Physikern erwähnt, was 1905 passierte, nämlich dass Einstein das Jahr mit einer Veröffentlichung begann, die die laterale Diffusion untersuchte, wie sie unter dem Mikroskop von Mr. Brown etwa 100 Jahre vorher beobachtet wurde. In vielfacher Hinsicht was dies auch der Beginn der statistischen Mechanik. Ich meine, der Schlüssel war, dass er verstand, dass die thermische Bewegung, die thermische Energie des Lösungsmittels, das aus viel kleineren Molekülen bestand als die, die Mr. Brown beobachtete, der Grund für die stochastische, translatorische Diffusion war, die Brown beobachtete. Damals muss Einstein durch andere Arbeit abgelenkt worden sein, viel weniger wichtig für mich, als die spezielle Relativitätstheorie, die er im Juli veröffentlichte. Und dann den magneto-optischen Effekt, den er im August veröffentlichte. Dann machte er sich wieder an ernste Arbeiten, und im Dezember hatte er eine zweite Veröffentlichung. Es muss ein paar Monate gedauert haben, bis er realisierte, dass er diese Kopplung zwischen der thermischen Agitation der Lösungsmittelmoleküle und dem Gelösten hatte, dass dies nicht nur eine Translationsdiffusion, sondern auch eine Rotationsdiffusion induzierte. Und so hatte er eine zweite Veröffentlichung über die Brownsche Rotationsbewegung im Dezember 1905. Das war also die vierte Veröffentlichung aus Einsteins Feder in dem Jahr. Diese ist der Schlüssel zum Verständnis, was wir in der NMR sehen und wie wir die NMR-Techniken in Lösung durchführen und kontinuierlich verbessern können. Und die Relation basiert auf sehr einfachen Prinzipien. Es gibt die Stokes-Einstein-Relation, die im Wesentlichen aussagt, dass es eine Korrelationszeit gibt, die die Zeitdauer beschreibt, in der ein Teilchen sich an seine Vergangenheit erinnert, und dass diese Korrelationszeit proportional zur dritten Potenz des Teilchenradius ist, wenn man ein Teilchen mit einer äquivalenten Kugel repräsentiert. Und dann bestimmt die Teilchengröße alle relevanten NMR-Parameter, längs, quer, Relaxationszeit und den Kern-Overhauser-Effekt. Es ist nun so, dass wir, abhängig von der relativen Frequenz der Brownschen Rotationsbewegung und der benutzten Larmorfrequenz, um das NMR-Signal zu beobachten, entweder in der Spinphysik der konservativen Übergänge sind oder bei dissipativen Übergängen. Und der Grund, warum wir NMR-Strukturen der Proteine bestimmen können, ist, dass wir in diesem Regime sind. In diesem Regime wäre es buchstäblich unmöglich oder wenigstens sehr viel schwieriger, das ist das Regime der kleinen Moleküle. Wasser würde hier hineinfallen. Daher verstehen wir jetzt, warum wir in der Abbildung Kontrast sehen. Wassermoleküle in unserem Körper bewegen sich immer noch schnell und liefern ein scharfes Signal. Knochen, Muskeln, Sehnen sind jenseits von Gut und Böse, sie bewegen sich überhaupt nicht. Die Signale sind weg. Deshalb können wir Kernspinresonanzabbildungen produzieren, indem wir nur Wassermoleküle beobachten. Auf der anderen Seite, wenn wir NMR in der Strukturbiologie verwenden wollen, dann müssen wir sicherstellen, dass wir in dem Regime der konservativen Übergänge zwischen Spinniveaus sind. Das war tatsächlich das Wichtigste, was ich heute sagen musste. Und darf ich Sie jetzt kurz daran erinnern, was NMR macht? Im einfachsten Fall schaut man sich den Spin ½ an, man hat 2 Eigenzustände. Wenn ein magnetisches Feld fehlt, sind die beiden Zustände des Spins ½ degeneriert, können nicht unterschieden werden. Im Jahr 1896 beobachtete Zeeman in optischen Spektren, dass es eine Feinstrukturaufspaltung gibt - es ist eine sehr kleine Energie. Er verlor tatsächlich seinen Job, das ist wichtig für die Studenten hier. Zeeman war Doktorand und musste aus einem Grund, den niemand wirklich versteht, die optischen Spektren irgendwelcher Materialien untersuchen. Sein Doktorvater hatte ihm streng verboten, ein magnetisches Feld für diese Experimente zu benutzen. Er war ungehorsam, stellte die Probe in ein magnetisches Feld und beobachtete den Zeeman-Effekt. Dann verlor er seinen Job und 6 Jahre später bekam er den Nobelpreis. Und sein Doktorvater verlor seinen Job und er wurde Direktor des Instituts. (Lachen) Das ist eine sehr wichtige Botschaft. Zeeman beobachtete also die Aufspaltung. Diese Aufspaltung hat eine sehr niedrige Energie im Hochfrequenzbereich. Es existierte keine Methode, diese Übergänge zwischen den Niveaus direkt zu beobachten, bis nach dem zweiten Weltkrieg Horden von Wissenschaftlern von der US-Armee zurückkamen, wo sie an der Radarentwicklung gearbeitet hatten. Sie hatten die Technik zur Verfügung, diese Übergänge zwischen den Zeeman-Niveaus des Kernspins und parallel dazu auch zwischen den entsprechenden Niveaus des Elektronenspins bei sehr niedrigen Energien zu beobachten. Hier sehen Sie Pieter Zeeman. Es ist vielleicht auch interessant anzumerken, dass Albert Einstein Zeeman in seinem Labor besucht hat, etwa um 1920. Sie sehen, Vernetzen war damals auch schon wichtig. Dann waren, wie schon erwähnt, nach dem Krieg Felix Bloch und Edward Purcell, die den Physik-Nobelpreis im Jahr 1952 erhielten, in der Lage, die Übergänge zwischen den 2 Energieniveaus der Spin-½-Kerne direkt nachzuweisen. Wenn Sie sich Wasser anschauen, sehen Sie nur eine Linie. Gehen wir mal davon aus, dass Sauerstoff keinen Spin hat: Für unsere Zwecke haben wir Spin ½ in 2 äquivalenten Wasserstoffatomen des Wassers und das ergibt eine einzige Linie. Das scheint einigermaßen uninteressant zu sein. Ich habe in den 1960ern mehrere Jahre daran gearbeitet, mir diese Linie anzusehen. Und was heute in der MRI die Kontrastmittel sind, kannten wir zu der Zeit nicht. Man gab paramagnetische Teilchen hinzu und beobachtete, wie dies die Parameter im Wasser beeinflusste. Andere hatten eine viel schlauere Idee, nämlich: Sie würden zusätzlich zum externen magnetischen Feld einen Magnetfeldgradienten über die mikroskopischen Objekte anwenden. Wie sehen daher immer nur Wasser. Das ist zu einfach. Das Spektrum musste komplizierter gemacht werden. Man nahm daher etwa 100 Aufnahmen über den gesamten Kopf, immer bei einem etwas anderen Feld. Das bedeutet, wenn man über den gesamten Kopf geht, dass die Resonanzbedingung sich ändert. Und wenn man 3 Linien mit 3 unterschiedlichen Positionen des Kopfes bekommt, macht man das in 3 Dimensionen. Dann entwickelt man mathematische Werkzeuge und bekommt Bilder. Nun sehen Sie, man kann es auch mit dem Kopf machen, nicht nur dem Knie. Paul Lauterbur und Peter Mansfield erhielten den Medizin-Nobelpreis für diese Leistung im Jahr 2003. Sie können sehen, ein solcher Magnet ist ziemlich erschreckend anzuschauen. Sogar heute noch macht er einen fürchterlichen Krach, wenn man darin ist. Es ist, als wäre man dem Geräusch eines Maschinengewehrs ausgesetzt. Als ich im Februar wieder in einem drin war, war ich überrascht, dass das noch nicht verbessert hat. Als wir anfangs auf diesem Gebiet arbeiteten, arbeiteten wir mit Neugeborenen. Das war in den 1980er-Jahren. Wir hatten keinen Ganzkörpermagneten, wir hatten einen kleineren Magneten, den wir für Babys bis zu etwa 1 Jahr nehmen konnten. Aber üblicherweise untersuchten wir Babys im Alter zwischen 2 Tagen und 3 Wochen, meist Babys mit einer schweren Schädelverletzung. Wir konnten diese Kinder nicht chemisch sedieren. Wir mussten die Eltern bitten zu kommen und das Baby zu halten, bis es einschlief und wir es in den Magneten einschieben konnten. Die Eltern hatten fürchterliche Angst vor dem Magneten, und daher bauten wir ein Feenhaus. (Lachen. Applaus) Dies ist Chris Boesch, ein Physikstudent, der jetzt Leiter der Radiologie an der Universität Bern ist. Wenden wir uns nun der Strukturbiologie zu. Ich gehe durch ein paar Jahre, damit Sie die chronologische Entwicklung sehen. Dieses Bild ist aus dem Jahr 1969. Es zeigt ein spezielles Protein, Cytochrom c. Damals gab es keine Computer, die eine Zeichnung erstellen konnten, das war viel später. Es gab damals einen Künstler, Irving Geis, der Zeichnungen und Bilder der Moleküle basierend auf Atomkoordinaten erstellte, die damals von der Röntgenkristallografie bestimmt wurden. In New York ist ein Museum mit 300 dieser Bilder. Jetzt haben wir eine andere Situation. Vorhin haben wir uns Wasser angeschaut: Wir mussten das Wasserspektrum in 3 Dimensionen komplizierter machen, 100 Aufnahmen in jeder Dimension. Und das erzeugt ein vernünftig komplexes Spektrum für die Arbeit. Hier präsentieren uns die Makromoleküle mit einem komplexen Spektrum und hunderte von Linien überlappen. Sie sehen, es sollte so aussehen, aber so sah es aus. Man musste es also anders machen, und das heißt, eine künstliche Zeitachse musste eingeführt werden. Man musste von eindimensionaler zu vieldimensionaler NMR übergehen und dann musste man das verkaufen. In Zusammenarbeit mit Richard Ernst hatten wir im Jahr 1982 COSY, NOESY, SECSY und FOCSY. Das kann man verkaufen. SECSY ist die Abkürzung für spin-echo-korrelierte Spektroskopie (engl.: 'spin-echo correlated spectroscopy'). Wenn man dieses Wort 300 Mal in einer Veröffentlichung benutzt, liest sie niemand. Und so sieht ein zweidimensionales Spektrum aus. Sie sehen, wenn man die zusätzliche künstliche Zeitachse hat, dann bringt uns eine zweidimensionale Fourier-Transformation in den zweidimensionalen Frequenzraum. Aber jetzt haben sich die Linien, die alle auf der einzigen Frequenzachse waren, aus der Ebene herausbewegt und sind einigermaßen gut getrennt. Richard Ernst erhielt dafür den Chemie-Nobelpreis im Jahr 1991. Dann mussten wir etwas mit diesen gut aufgelösten Spektren machen. Das Problem jetzt ist, dass das Teilchen, für das wir hochauflösende Strukturbewegungen bei zufälligen Frequenzen – ich rede nicht über Impuls oder etwas Ähnliches, es sind stochastische Bewegungen im Frequenzbereich von ungefähr 10^-11 bis 10^-9 Hz. Die Problemlösung bestand also darin, Parameter zu finden, die die Struktur bestimmen, aber invariant sind zur Rotations- oder Translationsbewegung. Eine solche Größe ist der Abstand zwischen 2 Atomen. Dies ist eine Skala und solange die Struktur ganz bleibt, können sie bei jeder Frequenz Rotations- oder Translationsbewegungen ausführen. Der Abstand wird daher gleich bleiben. Und das war die Problemlösung, mit dem sogenannten Kern-Overhauser-Effekt konnten wir den inversen Abstand hoch sechs zwischen Atomen innerhalb eines Mikromoleküls messen. Und dann haben wir die Korrelationsfunktion, die wir auf eine Weise lesen konnten, die diese Abstandsmessungen nicht stören. Mit den zweidimensionalen Experimenten erhalten wir viele Peaks. Jeder Peak repräsentiert einen Abstand zwischen 2 Atomen in der Struktur. Und alles was wir noch benötigten, waren einige Jahre Entwicklungsarbeit, um die Algorithmen zu entwickeln, die dann den hochdimensionalen Abstandsraum zurück in den dreidimensionalen Raum transferieren, wo wir die Strukturen darstellen können. Dies war die erste Struktur, die wir 1984 aufgelöst hatten. Und das war dann gut genug für einen Ausflug nach Stockholm, viel, viel später natürlich. Gut, das letzte, was vielleicht auch für Physiker interessant ist, war, als wir in das konservative Regime der Spinphysik gingen, waren wir gut gerüstet, um mit kleinen Molekülen zu arbeiten, wie ich vorhin zeigte. Aber dann würden wir - dies ist ein altes Bild, es zeigt die Größenverteilung der Proteine, deren Struktur untersucht worden war. Es geht hoch bis 30 Kilodalton und das war das Ende. Sie sehen, es gibt eine Menge Membranproteine. Sie werden mehr davon von meinen Kollegen hören, die Kristallografie für diese Untersuchungen nutzen. Aber um die Methode auf Membranproteine anwenden zu können, mussten wir die Größenbegrenzung überwinden und im Bereich von 60 Kilodalton aufwärts arbeiten können. Dafür haben wir Systeme mit zwei gekoppelten Spins 1/2 untersucht, typischerweise 15N und 1H, oder es ginge auch mit Methylgruppen an der Peripherie der Aminosäurenseitenketten. Aber man benötigt Mikrobiologie, um Stickstoff-15 in hohen Konzentrationen in die Polypeptidkette einzuführen. Wenn man ein 2-Spin-½-System hat, erhält man 4 Übergänge zwischen den kombinierten Eigenzuständen, die nun ein Spinsystem mit Spin 1 sind. Und es stellt sich heraus, dass nur einer der 4 Übergänge unter bestimmten Umständen an die Brownsche Bewegung gekoppelt ist. Einer der Übergänge kann von der Brownschen Bewegung entkoppelt werden und das ermöglicht dann die Überwindung der Größenbegrenzung. Hier sehen Sie die Feinstruktur eines Peaks einer solchen Stickstoff-15-Wasserstoffgruppe. Und Sie können sehen, dass eine der 4 Komponenten, ich rede von diesen 4 Übergängen: Es ging darum, nur diesen Peak auszuwählen, 75 % der Intensität wegzuwerfen und einen Faktor von etwa 50 am Ende zu gewinnen. Das führte im Jahr 1997 zu TROSY, 'Transverse Relaxation Optimised Spectroscopy'. Man kann einfach die Entwicklung der Einzelübergangsbasisoperatoren ausschreiben, dann kommen ein paar Relaxationsterme dazu, die das Spektrum zerstören, wenn man zu großen Molekülen geht. Und hier sind 2 dieser Relaxationsterme, die den Unterschied zwischen Dipol-Dipol-Kopplung und der sogenannten chemischen Verschiebungs-Anisotropiekopplung einschließen. Die chemische Verschiebungs-Anisotropiekopplung hängt sehr stark vom Magnetfeld ab, hier als die entsprechende Wasserstoffresonanzfrequenz gezeigt, während die Dipol-Kopplung im Wesentlichen in guter Näherung invariant zur Stärke des Magnetfelds ist. Nun, das ist schon vor langer Zeit, in den 1960er-Jahren, erkannt worden. Aber damals war das größte verfügbare Magnetfeld hier. Die Theorie war also nicht zu gebrauchen. Und 1997 hatten wir diesen Magneten und dann verschwindet p minus Delta und eine der 4 Komponenten im 2-Spin-System ist jetzt von der Brownschen Bewegung entkoppelt. Wir könnten sogar Teilchen mit einem Molekulargewicht von 1 Million Dalton in Lösung untersuchen, wie den Komplex GroEL mit GroES, und diese Art Spektrum erhalten. Ich hoffe, auch wenn ich nur über irdische Experimente gesprochen habe, ich Ihnen einen Eindruck von der Wichtigkeit der Forschung in Grundlagenphysik für praktische Anwendungen vermitteln konnte. Die Nutzung von NMR hat heutzutage große Auswirkungen in der medizinischen Diagnostik. Fußball wäre im Wesentlichen heute unmöglich, wenn die MRI nicht für die Spieler nach dem Spiel verfügbar wäre. Die Methode spielt zusammen mit Röntgenkristallografie eine wichtige Rolle in der Grundlage für die rationale Entwicklung von Medikamenten und der Verbesserung existierender Medikamente. Ich bin wirklich beeindruckt und sehr glücklich, auf diesem Gebiet zu arbeiten, das zeigt, dass die Grundlagenforschung, die 200 Jahre auf Mr. Brown zurückgeht, der seinen Pollen in das Wasserglas fallen ließ, zu Anwendungen führte, die heutzutage jeden Tag die Qualität des menschlichen Lebens verbessern. Und ich denke, wir sollten unsere Politiker daran erinnern, wie wichtig es war, dass Einstein die Freiheit hatte, an der Brownschen Bewegung zu arbeiten, lange bevor man wissen konnte, dass es jemals ein NMR-Experiment geben würde. Zeeman wusste nicht, dass es ein NMR-Experiment geben würde, ganz zu schweigen von Mr. Brown. Und ich denke, Sie möchten dies vielleicht mitnehmen und weiterhin begeistert sein von Grundlagenforschung in der Physik. Vielen Dank.

Kurt Wüthrich (2016)

NMR in Physics, Structural Biology and Medical Diagnosis

Kurt Wüthrich (2016)

NMR in Physics, Structural Biology and Medical Diagnosis

Abstract

In 1902, Pieter Zeeman shared the Physics Nobel Prize with Hendrik Antoon Lorentz, “in recognition of the extraordinary service they rendered by their researches into the influence of magnetism upon radiation phenomena”. In 1952, Felix Bloch and Edward Purcell were awarded the Nobel Prize in Physics for the description of the nuclear magnetic resonance (NMR) experiment, which detects transitions between the “Zeeman levels” of isotopes with non-zero nuclear spin quantum number. Over the years, NMR has been used in a wide range of fundamental studies in physics. 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 today a key technique in medical diagnosis, and for NMR spectroscopy being a widely applied technique in modern structural chemistry and biology. Consultation of Albert Einstein’s 1905 theory of the Brownian motion of particles suspended in a liquid, which was first reported by the English botanist Robert Brown in 1827, leads to a deeper understanding of NMR with solutions, including body fluids. Here, I will review some basic concepts that enabled these developments, illustrating in impressive ways the important role of fundamental physics research for improved quality of human life.

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