閱讀材料　生物大分子質(zhì)譜電離技術(shù)及核磁共振三維結(jié)構(gòu)測定方法

2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了質(zhì)譜和核磁共振領(lǐng)域的三位科學(xué)家，他們是美國科學(xué)家約翰·B·芬恩（John B.Fenn）、日本科學(xué)家田中耕一（Koichi Tanaka）和瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼亍ぞS特里希（Kurt Wüthrich），以表彰他們在生物大分子質(zhì)譜電離技術(shù)的突破，以及核磁共振三維結(jié)構(gòu)測定方法的建立方面所做的貢獻(xiàn)。

John B.Fenn,1917年出生于美國紐約市，1940年獲耶魯大學(xué)化學(xué)博士學(xué)位，1967～1987年間任該大學(xué)教授，1987年被聘為該大學(xué)名譽(yù)教授，1994年起任弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)教授。Koichi Tanaka,1959年出生于日本富山縣，1983年獲日本東北大學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)任職于京都市島津制作所，為該公司研發(fā)工程師，分析測量事業(yè)部生命科學(xué)商務(wù)中心、生命科學(xué)研究所主任。他們由于發(fā)明了對生物大分子的質(zhì)譜分析法而共享了2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金。

質(zhì)譜分析法是化學(xué)領(lǐng)域中非常重要的一種分析方法，它通過測定分子質(zhì)量和相應(yīng)的離子電荷實(shí)現(xiàn)對樣品中分子的分析。19世紀(jì)末科學(xué)家已經(jīng)奠定了這種方法的基礎(chǔ)，1912年科學(xué)家第一次利用它獲得對分子的分析結(jié)果。在質(zhì)譜分析領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)了幾項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)成果，例如氘的發(fā)現(xiàn)（1934年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）和C60的發(fā)現(xiàn)（1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）。不過，最初科學(xué)家只能將它用于分析小分子和中型分子，由于生物大分子比水這樣的小分子大成千上萬倍，因而將這種方法應(yīng)用于生物大分子難度很大。科學(xué)家在傳統(tǒng)的質(zhì)譜分析法基礎(chǔ)上發(fā)明了一種新方法：首先將成團(tuán)的生物大分子拆成單個(gè)的生物大分子，并將其電離，使之懸浮在真空中，然后讓它們在電場的作用下運(yùn)動(dòng)。不同質(zhì)量的分子通過指定距離的時(shí)間不同，質(zhì)量小的分子速度快些，質(zhì)量大的分子速度慢些，通過測量不同分子通過指定距離的時(shí)間，就可計(jì)算出分子的質(zhì)量。這種方法的難點(diǎn)在于生物大分子比較脆弱，在拆分和電離成團(tuán)的生物大分子過程中，它們的結(jié)構(gòu)和成分很容易被破壞。為了解決這個(gè)難題，John B.Fenn和Koichi Tanaka發(fā)明了殊途同歸的兩種方法：John B.Fenn對成團(tuán)的生物大分子施加強(qiáng)電場，Koichi Tanaka則用激光轟擊成團(tuán)的生物大分子。這兩種方法，電噴霧電離技術(shù)（electrospray ionization,ESI）和軟激光解析（soft laser desorption,SLD），都成功地使生物大分子相互完整地分離，同時(shí)也被電離。它們的發(fā)明奠定了科學(xué)家對生物大分子進(jìn)行進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)。

Kurt Wüthrich,1938年出生于瑞士阿爾貝格，1964年獲瑞士巴塞爾大學(xué)無機(jī)化學(xué)博士學(xué)位。1980年起任瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等理工學(xué)校分子生物物理學(xué)教授，兼任美國加利福尼亞州拉霍亞市斯克里普斯研究所客座教授。由于發(fā)明了核磁共振技術(shù)測定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法而獲得了2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)另一半的獎(jiǎng)金。

核磁共振技術(shù)和質(zhì)譜技術(shù)一樣，是物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)鑒定的強(qiáng)有力工具，在有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定中發(fā)揮著巨大作用。當(dāng)NMR用于生物大分子測定時(shí)，NMR譜圖上產(chǎn)生成百上千個(gè)吸收峰，無法確定哪個(gè)峰屬于哪個(gè)原子。Kurt Wüthrich發(fā)明了序貫分配（sequential assign-ment）法，即通過系統(tǒng)地分配蛋白分子中的某些固定點(diǎn)，可以確定這些固定點(diǎn)的距離，從而計(jì)算出蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，解決了這一難題。序貫分配法的原理可以用測繪房屋的結(jié)構(gòu)來比喻：首先選定一座房屋的所有拐角作為測量對象，然后測量所有相鄰拐角間的距離和方位，即以分子中的質(zhì)子作為測量對象，連續(xù)測定所有相鄰的兩個(gè)質(zhì)子之間的距離和方位，這些數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后就可形成生物大分子的三維結(jié)構(gòu)圖。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可對溶液中的蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，進(jìn)而可對活細(xì)胞中的蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，能獲得“活”蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其意義非常重大。1985年，科學(xué)家利用這種方法第一次繪制出蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。到2002年，科學(xué)家已經(jīng)利用這一方法繪制出15％～20％的已知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

21世紀(jì)初，人類基因組圖譜、水稻基因組草圖以及其他一些生物基因組圖譜破譯成功后，生命科學(xué)和生物技術(shù)進(jìn)入后基因組時(shí)代。這一時(shí)代的重點(diǎn)課題是破譯基因的功能，破譯蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，破譯基因怎樣控制合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)又是怎樣發(fā)揮生理作用等。在這些課題中，判定生物大分子的身份，“看清”它們的結(jié)構(gòu)非常重要。專家認(rèn)為，在未來幾十年內(nèi)，生物技術(shù)將蓬勃發(fā)展，很可能成為繼信息技術(shù)之后推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的主要?jiǎng)恿Γ蛇@三位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主發(fā)明的“對生物大分子進(jìn)行確認(rèn)和結(jié)構(gòu)分析的方法”將在今后繼續(xù)發(fā)揮重要作用。