閱讀材料　生物大分子質譜電離技術及核磁共振三維結構測定方法

2002年諾貝爾化學獎授予了質譜和核磁共振領域的三位科學家，他們是美國科學家約翰·B·芬恩（John B.Fenn）、日本科學家田中耕一（Koichi Tanaka）和瑞士科學家庫爾特·維特里希（Kurt Wüthrich），以表彰他們在生物大分子質譜電離技術的突破，以及核磁共振三維結構測定方法的建立方面所做的貢獻。

John B.Fenn,1917年出生于美國紐約市，1940年獲耶魯大學化學博士學位，1967～1987年間任該大學教授，1987年被聘為該大學名譽教授，1994年起任弗吉尼亞聯邦大學教授。Koichi Tanaka,1959年出生于日本富山縣，1983年獲日本東北大學學士學位，現任職于京都市島津制作所，為該公司研發工程師，分析測量事業部生命科學商務中心、生命科學研究所主任。他們由于發明了對生物大分子的質譜分析法而共享了2002年諾貝爾化學獎一半的獎金。

質譜分析法是化學領域中非常重要的一種分析方法，它通過測定分子質量和相應的離子電荷實現對樣品中分子的分析。19世紀末科學家已經奠定了這種方法的基礎，1912年科學家第一次利用它獲得對分子的分析結果。在質譜分析領域，已經出現了幾項諾貝爾獎成果，例如氘的發現（1934年諾貝爾化學獎）和C60的發現（1996年諾貝爾化學獎）。不過，最初科學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，因而將這種方法應用于生物大分子難度很大。科學家在傳統的質譜分析法基礎上發明了一種新方法：首先將成團的生物大分子拆成單個的生物大分子，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動。不同質量的分子通過指定距離的時間不同，質量小的分子速度快些，質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間，就可計算出分子的質量。這種方法的難點在于生物大分子比較脆弱，在拆分和電離成團的生物大分子過程中，它們的結構和成分很容易被破壞。為了解決這個難題，John B.Fenn和Koichi Tanaka發明了殊途同歸的兩種方法：John B.Fenn對成團的生物大分子施加強電場，Koichi Tanaka則用激光轟擊成團的生物大分子。這兩種方法，電噴霧電離技術（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，同時也被電離。它們的發明奠定了科學家對生物大分子進行進一步分析的基礎。

Kurt Wüthrich,1938年出生于瑞士阿爾貝格，1964年獲瑞士巴塞爾大學無機化學博士學位。1980年起任瑞士蘇黎世聯邦高等理工學校分子生物物理學教授，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。由于發明了核磁共振技術測定溶液中生物大分子三維結構的方法而獲得了2002年諾貝爾化學獎另一半的獎金。

核磁共振技術和質譜技術一樣，是物質分子結構鑒定的強有力工具，在有機化合物結構鑒定中發揮著巨大作用。當NMR用于生物大分子測定時，NMR譜圖上產生成百上千個吸收峰，無法確定哪個峰屬于哪個原子。Kurt Wüthrich發明了序貫分配（sequential assign-ment）法，即通過系統地分配蛋白分子中的某些固定點，可以確定這些固定點的距離，從而計算出蛋白質的三維結構，解決了這一難題。序貫分配法的原理可以用測繪房屋的結構來比喻：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，即以分子中的質子作為測量對象，連續測定所有相鄰的兩個質子之間的距離和方位，這些數據經計算機處理后就可形成生物大分子的三維結構圖。這種方法的優點是可對溶液中的蛋白質進行分析，進而可對活細胞中的蛋白質進行分析，能獲得“活”蛋白質的結構，其意義非常重大。1985年，科學家利用這種方法第一次繪制出蛋白質的結構。到2002年，科學家已經利用這一方法繪制出15％～20％的已知蛋白質的結構。

21世紀初，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，生命科學和生物技術進入后基因組時代。這一時代的重點課題是破譯基因的功能，破譯蛋白質的結構和功能，破譯基因怎樣控制合成蛋白質，蛋白質又是怎樣發揮生理作用等。在這些課題中，判定生物大分子的身份，“看清”它們的結構非常重要。專家認為，在未來幾十年內，生物技術將蓬勃發展，很可能成為繼信息技術之后推動經濟發展和社會進步的主要動力，由這三位諾貝爾化學獎得主發明的“對生物大分子進行確認和結構分析的方法”將在今后繼續發揮重要作用。