Фредерик М. Ричардс - Frederic M. Richards
Фредерик Миддлбрук Ричардс | |
|---|---|
 Фред Ричардс
| |
| Родился |
19 августа 1925 г. |
| Умер | 11 января 2009 г. (83 года) |
| Гражданство | Соединенные Штаты |
| Альма-матер |
MIT (BS) 1948 Гарвардский университет (PhD) 1952 |
| Известен | Решение 3-й кристаллической структуры белка - рибонуклеазы S ; определение доступной для растворителя поверхности |
| Супруг (а) | Хайди Кларк Ричардс; Сара (Салли) Уитленд Ричардс |
| Награды |
Национальная академия наук Американская академия искусств и наук Стипендия Гуггенхайма |
| Научная карьера | |
| Поля | Биофизика , Биохимия |
| Учреждения | Йельский университет |
| Тезис | Исследования плотности и состава некоторых кристаллов белка, включая предварительное исследование кристаллической структуры моногидрата диглицината цинка (1952 г.) |
| Докторант | Барбара Лоу |
| Другие научные консультанты |
Эдвин Джозеф Кон Кай Ульрик Линдерстрём-Ланг |
| Докторанты | Хорхе Альенде |
| Другие известные студенты |
Сайрус Чотия Луиза Джонсон Венделл Лим |
| Влияния | Кристиан Б. Анфинсен , Ханс Т. Кларк |
| Под влиянием | Томас А. Стейтц , Джейн С. Ричардсон |
Фредерик Миддлбрук Ричардс (19 августа, 1925 - 11 января 2009), обычно упоминается как Фред Ричардс , американский биохимик и биофизика известен для решения новаторских кристаллической структуры из рибонуклеазы S фермента в 1967 году и для определения понятия растворителей доступная поверхность . Он внес множество ключевых экспериментальных и теоретических результатов и разработал новые методы, получив более 20 000 ссылок в журналах в нескольких совершенно разных областях исследований. Помимо кристаллографии белков и биохимии рибонуклеазы S, они включали доступность растворителя и внутреннюю упаковку белков, первую библиотеку ротамеров боковых цепей , кристаллографию высокого давления, новые типы химических меток, таких как биотин / авидин , ядерный магнитный резонанс. (ЯМР) индекс химического сдвига , а также структурные и биофизические характеристики эффектов мутаций .
Ричардс провел всю свою академическую исследовательскую карьеру в Йельском университете , где он стал профессором молекулярной биофизики и биохимии на кафедре, которую он создал и возглавил, «в одном из крупнейших мировых центров по изучению биофизики и структурной биологии». Он был избран членом Национальной академии наук США и Американской академии искусств и наук , а также получил множество других научных наград. Он возглавлял Мемориальный фонд медицинских исследований Джейн Коффин Чайлдс и был избран президентом Американского общества биохимии и молекулярной биологии (ASBMB) и Биофизического общества .
Личная биография
Ричардс родился 19 августа 1925 года в Нью-Йорке в семье Джорджа Х. Ричардса и Марианны Миддлбрук Ричардс. Оба родителя были из старых семей Новой Англии , которые поселились в Фэрфилде и Нью-Лондоне, штат Коннектикут, в 1600-х годах. Семья обычно проводила лето в Коннектикуте , что дало Ричардсу раннее увлечение этим районом, которое продолжилось на протяжении его карьеры в Йельском университете . У него было две старшие сестры, Марианна и Сара. Марианна стала биохимиком и была важным образцом для подражания для Фреда, который восхищался запахами и взрывами, производимыми химическими наборами в ту эпоху. Он учился в средней школе в Phillips Exeter Academy , а позже вспоминал, что «отличный научный факультет даже разрешал некоторым студентам бесконтрольно работать в лабораториях вне уроков. Такое отношение сыграло важную роль ... в укреплении нашей приверженности научной карьере. " Там он изучил стеклодув и электронику , а также попытался измерить универсальную гравитационную постоянную с помощью 100-фунтовых ядер.
Обладая сильными научными интересами, Ричардс не оправдал ожиданий своей семьи, выбрав в 1943 году Массачусетский технологический институт, а не Йельский университет для обучения в колледже по специальности химия. Его студенческое время было прервано двумя годами в армии, которые он описал как «без происшествий». Затем он присоединился к отделению биохимии Гарвардской медицинской школы и лаборатории Барбары Лоу. Она работала с Дороти Кроуфут Ходжкин, чтобы решить рентгеновскую кристаллическую структуру пенициллина , а позже активно занималась кристаллографией белков. Фазовая проблема еще не решена до сих пор , чтобы определить структуру белка, поэтому его Ph.D. В своей диссертации (завершенной в 1952 году) изучались плотность и содержание растворителя в кристаллах, чтобы помочь очень точно определить молекулярный вес белков. В 1954 году он отправился в лабораторию Carlsberg в Копенгагене, чтобы провести постдокторское исследование с Кай Линдерстрём-Ланг , где он начал свою классическую работу по ферменту рибонуклеазе. Он также впитал научный и наставнический стиль Лэнга, которого Ричардс назвал «восхитительным человеком, полным веселья и шуток, а также науки», примером которого являются «простые, недорогие, гениальные и проницательные эксперименты». В 1955 году Ричардс поступил на факультет Йельского университета, где оставался до конца своей карьеры.
Ричардс был заядлым и увлеченным моряком. Помимо плавания по проливу Лонг-Айленд , он путешествовал на север вдоль побережья Канады, на юг до Бермудских островов и даже несколько раз через Атлантику с небольшой командой из семьи и друзей. У него и его жены были парусные лодки (Hekla 1 и 2) и служебное судно с подвесным мотором, известное как «Салли Бааге» (название, вероятно, является комментарием к ее акценту в штате Мэн), которые он построил сам. Крис Анфинсен , друг Ричардса и его коллега по редактированию журнала Advances in Protein Chemistry, который порекомендовал ему лабораторию Carlsberg, также был заядлым моряком, и иногда они объединяли усилия. Венделл Лим писал, что «преданный моряк с детства, Фред каждое лето почти всегда брал отпуск на месяц, чтобы провести большую морскую экскурсию, а затем возвращался в лабораторию, отдохнувший и готовый к работе. Его морские приключения включали несколько трансатлантических путешествий. заядлый хоккеист ".
Ричардс жил в Гилфорде, штат Коннектикут , прибрежном городке примерно в 10 милях к востоку от Нью-Хейвена , расположенном между хребтом Метакомет и проливом Лонг-Айленд. Фред был женат дважды: на Хайди Кларк Ричардс, дочери биохимика Ганса Кларка , а в 1959 году - на Саре (Салли) Уитленд Ричардс, морском биологе. У него было трое детей - Сара, Рут и Джордж - и четверо внуков. Его дочь Сара описывала его как «пожизненного ученого и моряка ... Его главными увлечениями были его научная работа, которую он завершил в Йельском университете, плавание, работа в своей мастерской и помощь в обществе». Фред и Салли активно участвовали в местных усилиях по сохранению земель, как в комитетах, так и в рабочих проектах по земле и воде. Он пожертвовал 41 акр береговой линии природным территориям Йельского музея Пибоди, которые они описали как «одну из немногих природных лесных территорий, оставшихся в штате». Теперь собственность имеет долгосрочную охрану для использования в биологических и геологических исследованиях.
Исследовательская карьера
Двухкомпонентная система рибонуклеазы S
2 декабря 1957 года в Йельском университете Ричардс провел простой эксперимент с белком рибонуклеазой А (РНКазой А), который помог изменить взгляд научного сообщества на физическую природу белковых молекул. Используя определенную протеазу ( субтилизин ), РНКаза А была преобразована в расщепленный белок ( РНКаза S ), который состоит из двух частей, называемых S-пептидом и S-белком ( Richards & Vithayathil 1959 ). Ричардс разработал эту систему расщепления в качестве постдока в лаборатории Carlsberg в Копенгагене, Дания, с использованием очищенного белка рибонуклеазы, который был подарен Кристиану Анфинсену компанией Armor и которым Анфинсен поделился с Ричардсом и другими исследователями. Ричардс обнаружил, что при разделении S-белок и S-пептид не обладали активностью РНКазы, но ферментативная активность РНКазы восстанавливалась, когда части были рекомбинированы в пробирке. В автобиографической статье Ричардс написал, что «это открытие стало неожиданностью для научного сообщества в то время ... Оглядываясь назад, я могу сказать, что это был пик моей карьеры с точки зрения ажиотажа». Этот эксперимент показал, что белки поддерживают трехмерный порядок и тесную связь между их взаимодействующими частями и что структурная информация присуща самому белку, предвещая как более поздние работы Анфинсена, показывающие, что последовательность определяет структуру, так и идею о том, что гормоны или другие небольшие молекулы могут прочно и конкретно связываются с белками - это концепция, лежащая в основе того, как фармацевтические компании сегодня разрабатывают лекарства. Два года спустя белковая структура миоглобина подтвердила такие специфические трехмерные отношения. Позже, с Мэрилин Дошер и Фло Куиочо, Ричардс продемонстрировал, что рибонуклеаза S, а также карбоксипептидаза были ферментативно активными в кристаллах, что является важным доказательством, чтобы заглушить сомнения в том, что конформации белков в кристаллах имеют прямое отношение к их биологической активности в клетках.
Кристаллическая структура рибонуклеазы
Вместе с коллегой Гарольдом В. Вайкоффом, который работал над ранними исследованиями структуры миоглобина, усилия по решению трехмерной структуры РНКазы S были инициированы Ричардсом. Проведенный в 1966 году и опубликованный в 1967 году, анализ РНКазы S и РНКазы A совместно сделал рибонуклеазу третьей отдельной белковой структурой, которая должна быть определена с помощью дифракции рентгеновских лучей кристаллов, после миоглобина / гемоглобина и лизоцима куриных яиц , и первой из тех, что были определены. сделано в Соединенных Штатах. Позже группа Йельского университета собрала больше дифракционных данных и в 1970 году опубликовала детальную структуру РНКазы S с разрешением 2,0 Å ( Wyckoff et al., 1970 ). Координаты для рибонуклеазы S были депонированы в международный банк данных по белкам в 1973 году как PDB : 1RNS , среди первого небольшого набора макромолекулярных структур.
Черно-белый рисунок ленты выше показывает большой скрученный бета-лист (стрелки) рибонуклеазы, окруженный несколькими альфа-спиралями (спиралями). Более короткий фрагмент S-пептида находится сзади, начиная со спирали вверху слева и заканчивая разрывом цепи (между остатками 20-21) внизу справа. Активный сайт расщепления РНК (в бороздке в центре спереди на этом чертеже) включает одну боковую цепь гистидина из фрагмента S-пептида, а другую - из части S-белка. На компьютерном изображении показаны наложенные друг на друга структуры рибонуклеазы S и A, причем S-пептид выделен золотом, а гистидины активного центра - ярко-розовым. Тесное совпадение трехмерных структур показывает, что 2-фрагментная S система действительно сворачивается в активную форму ( Wyckoff et al., 1970 ).
«Коробка Ричардса»
В 1968 году, во время творческого отпуска с Дэвидом Филлипсом в Оксфорде, Ричардс разработал большой оптический компаратор, названный «ящик Ричардса» (или «Безумие Фреда»), который позволил кристаллографам строить физические модели белковых структур, просматривая сложенные листы электронных плотность через полупрозрачное зеркало (см. фото). Как только «Безумие» было построено, он довольно быстро построил полностью атомную латунную модель РНКазы S. Этот метод был выбран для построения кристаллографических моделей белков в электронной плотности до конца 1970-х годов, когда его вытеснили программы молекулярной компьютерной графики , такие как Grip-75, а затем Frodo.
Ричардс продемонстрировал свое чувство юмора в более позднем обзоре разработок в области использования и конструкции ящиков Ричардса. Он представил «поправку к оригинальным библиографическим цитатам» вместе со схемами для техники театральной сцены, в которой использовалось избирательное освещение и лист пластинчатого стекла, наклоненный под углом 45 °, чтобы создать иллюзию нимфы Амфитриты, поднимающейся из моря и плавающей в нем. воздух, или доброволец из аудитории, растворяющийся в скелете и обратно. Ричардс закончил этот раздел, отметив, что «если бы эта ссылка была известна автору в 1968 году, не потребовалось бы никакого дальнейшего описания« глупости »».
Доступная для растворителя поверхность и молекулярная упаковка
Самый устойчивый долгосрочный научный интерес Ричардса заключался в фолдинге и упаковке белков , которые изучались как экспериментально, так и теоретически, и в основном с геометрической точки зрения. Как резюмировал Джордж Роуз, «белковые папки можно разделить на« минимизаторы »и« упаковщики ». Первые стремятся минимизировать энергию взаимодействия между атомами или группами атомов, тогда как вторые концентрируются на вероятной геометрии, руководствуясь обоими исключенными ограничениями по объему. и структурные мотивы, наблюдаемые в белках известной структуры ». Фред оказал огромное влияние на упаковщиков, которые основывались на его наблюдениях относительно плотности упаковки, площадей и объемов.
В 1971 году вместе с Бюнгкуком Ли Ричардс представил концепцию и количественную меру доступной для растворителя поверхности (SAS) аминокислотных остатков в свернутых белковых структурах ( Lee & Richards 1971 ). Поверхность строится путем отслеживания центра воображаемого шара, его радиус равен радиусу молекулы воды (принимаемый равным 1,4 Å), когда он катится по ван-дер-ваальсовым поверхностям белков. Таким образом определенная поверхность является непрерывной, и каждая точка на ней однозначно связана с конкретным атомом белка (ближайшим). Определение Ли и Ричардса было широко принято в качестве стандартной меры доступности растворителей, например, для оценки воздействия на остаток в процентах от доступной площади к общей площади поверхности, а также в качестве основы метода площади погребенной поверхности для оценки энергетических характеристик. белок / белковых контактов.
Ричардс 1974 ввел конструкцию многогранников Вороного в химию белков, и этот вклад был недавно рассмотрен Герштейном и Ричардсом. Этот подход был принят многими другими и получил прочную математическую основу в работах Герберта Эдельсбруннера . Вместе с Джеем Пондером в 1987 году, в рамках исследования использования внутренней упаковки боковых цепей для перечисления возможных последовательностей, совместимых с данной структурой белкового каркаса (предзнаменование белковой инженерии и дизайна), Ричардс разработал первую библиотеку ротамеров боковых цепей . ( Ponder & Richards 1987 ) Все более подробные библиотеки ротамеров, такие как Backbone-зависимая библиотека ротамеров , с тех пор были созданы другими исследовательскими группами, причем некоторые из них использовались в основном для проверки структуры, а другие - для моделирования гомологии или дизайна белков . Вместе с Крейгом Кундротом Ричардс исследовал влияние высокого давления (1000 атмосфер ) на структуру белка, используя кристаллы лизоцима куриного яйца , и обнаружил, что структура устойчива к такому давлению, за исключением довольно скромного уплотнения по размеру. В 1990-х Ричардс и его сотрудники использовали комбинацию теории и эксперимента, чтобы исследовать, как хорошо упакованная внутренняя часть белков может, тем не менее, приспосабливаться к мутациям .
Другие направления исследований
В 1970-х годах, с последовательностью студентов и постдоков, лаборатория разработала серию химических, фотохимических и поперечных меток для определения положения и взаимоотношений белков в биологических мембранах ( Peters & Richards 1977 ), включая глутаральдегид и другие вещества. одно из двух первых общих применений исключительно тесного взаимодействия биотина с авидином , привязанного к ферритину, для использования в электронной микроскопии . Система биотин-авидин быстро стала центральным методом клеточной биологии, иммунологии и белковой инженерии, а также электронной микроскопии.
Вместе с Дэвидом Уишартом и Брайаном Сайксом он разработал индекс химического сдвига для определения вторичной структуры белка методом ЯМР ( Wishart, Sykes & Richards 1991 и Wishart, Sykes & Richards 1992 ). Это до сих пор считается стандартным инструментом в области ЯМР. Отдельно около 1990 года Homme Hellinga вместе с Ричардсом разработали вычислительные инструменты для создания сайтов связывания металлов в белках и использовали их для создания нового сайта металла в тиоредоксине .
Ричардс назван депонентом 27 записей кристаллической структуры в базе данных белков , включая устаревшую рибонуклеазу S ( PDB : 1RNS ), лизоцим куриных яиц ( PDB : 2LYM ), домены SH3 ( PDB : 1SEM ), ион-образующий канал аламетицина ( PDB : 1AMT ) ( Fox & Ричардс 1982 ), а также мутанты рибонуклеазы S (например, PDB : 1RBD ; ПДБ : 1RBI ), из стафилококковой нуклеазы (например, PDB : 1NUC ; PDB : 1A2T ) и лямбда-репрессора в комплексе с ДНК ( PDB : 1LLI ).
Администрирование, наставничество и внешняя деятельность
Считалось, что кафедра молекулярной биофизики и биохимии («MB&B»), которую Ричардс основал и возглавил в Йельском университете, объединила факультеты биохимии медицинской школы и университетской молекулярной биофизики, «быстро приобрела выдающийся статус». Многие из этих преподавателей стали членами Национальной академии наук , а Том Стейтц разделил Нобелевскую премию в 2009 году за кристаллические структуры рибосомы. По словам Джима Староса, Ричардс был известен как высоко ценимый наставник и друг студентов, преподавателей и коллег, в том числе очень благосклонный подход к женщинам и афроамериканцам. Его коллега Джордж Д. Роуз писал, что лекции Ричардса были содержательными, ясными и юмористическими и часто преднамеренно провокационными, и что Ричардс работал над улучшением научного сообщества в целом. Например, в конце 1980-х он был основным автором и первым из многих подписавших широко распространенное письмо, которое успешно настаивало на политике внесения трехмерных координат атомов в научные журналы, в NIH и на отдельных кристаллографов. Он также менее успешно лоббировал ослабление давления со стороны публикаций, но с усилением акцента на нескольких первоклассных статьях, заставив комитеты по продвижению рассматривать только список из 12 ключевых статей.
Резюме карьерных событий
- 1954 г., научный сотрудник NRC, лаборатория Carlsberg , Дания.
- 1955 г. - поступил на факультет биохимии в Медицинскую школу Йельского университета.
- 1963 г. - профессор и заведующий кафедрой молекулярной биофизики Йельского университета.
- 1965, Pfizer - Премия Пола-Льюиса в области химии ферментов
- 1968 г. - член Американской академии искусств и наук.
- 1969–73, основатель кафедры молекулярной биофизики и биохимии в Йельском университете.
- 1971 г., член Национальной академии наук.
- 1972 г., президент Биофизического общества.
- 1976–91, директор Фонда медицинских исследований Джейн Коффин Чайлдс.
- 1978, премия Кая Линдерстрём-Ланга в области химии белков
- 1979 г., президент ASBMB.
- 1988, Американское общество биохимии и молекулярной биологии - премия Merck
- 1988, Белковое общество - премия Штейна и Мура
- 1995, Медаль науки Коннектикута
Наиболее цитируемые статьи
Статьи с более чем 500 цитированием по данным Web of Science на 18 июня 2012 г .:
- Ли, Б .; Ричардс, FM (1971). «Интерпретация белковых структур: оценка статической доступности». Журнал молекулярной биологии . 55 (3): 379–400. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (71) 90324-X . PMID 5551392 .
- Ричардс, FM (1977). «Площади, объемы, упаковка и структура белка». Ежегодный обзор биофизики и биоинженерии . 6 : 151–176. DOI : 10.1146 / annurev.bb.06.060177.001055 . PMID 326146 .
- Wishart, DS; Сайкс, Б.Д.; Ричардс, FM (1992). «Индекс химического сдвига: быстрый и простой метод определения вторичной структуры белка с помощью ЯМР-спектроскопии». Биохимия . 31 (6): 1647–1651. CiteSeerX 10.1.1.539.2952 . DOI : 10.1021 / bi00121a010 . PMID 1737021 .
- Wishart, DS; Сайкс, Б.Д.; Ричардс, FM (1991). «Связь между химическим сдвигом ядерного магнитного резонанса и вторичной структурой белка». Журнал молекулярной биологии . 222 (2): 311–333. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (91) 90214-Q . PMID 1960729 .
- Думай, JW; Ричардс, FM (1987). «Третичные шаблоны для белков. Использование критериев упаковки при перечислении разрешенных последовательностей для различных структурных классов». Журнал молекулярной биологии . 193 (4): 775–791. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (87) 90358-5 . PMID 2441069 .
- Ричардс, FM (1974). «Интерпретация белковых структур: общий объем, распределение группового объема и плотность упаковки». Журнал молекулярной биологии . 82 (1): 1–14. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (74) 90570-1 . PMID 4818482 .
- Ричардс, FM; Vithayathil, PJ (1959). «Получение субтилизин-модифицированной рибонуклеазы и разделение пептидного и белкового компонентов» . Журнал биологической химии . 234 (6): 1459–1465. DOI : 10.1016 / S0021-9258 (18) 70031-8 . PMID 13654398 .
- Fox, RO; Ричардс, FM (1982). «Модель потенциалзависимого ионного канала, выведенная из кристаллической структуры аламетицина с разрешением 1,5 Å». Природа . 300 (5890): 325–330. Bibcode : 1982Natur.300..325F . DOI : 10.1038 / 300325a0 . PMID 6292726 . S2CID 4278453 .
- Peters, K .; Ричардс, FM (1977). «Химическое сшивание: реагенты и проблемы исследования структуры мембран». Ежегодный обзор биохимии . 46 : 523–551. DOI : 10.1146 / annurev.bi.46.070177.002515 . PMID 409338 .
- Вайкофф, HW; Церноглова, Д .; Hanson, AW; Нокс, младший; Ли, Б .; Ричардс, FM (1970). «Трехмерная структура рибонуклеазы-S. Интерпретация карты электронной плотности при номинальном разрешении 2 Å» . Журнал биологической химии . 245 (2): 305–328. DOI : 10.1016 / S0021-9258 (18) 63395-2 . PMID 5460889 .
использованная литература
дальнейшее чтение
- Бен Лилли, «Что меня узнала из Википедии о моем дедушке», The Atlantic, 18 ноября 2014 г.
Подкаст
- Бен Лилли, «Правда о моем дедушке», «Коллайдер историй», 26 августа 2016 г.