Ричардс, Фредерик Мидлбрук
Фредерик Мидлбрук Ричардс (англ. Frederic Middlebrook Richards; 19 августа 1925[2], Нью-Йорк, Нью-Йорк, США[3] — 11 января 2009[4][2]) — американский биохимик и биофизик. Известен тем, что в 1967 году определил кристаллическую структуру фермента рибонуклеаза S и ввёл понятие доступной для растворителя поверхности.
Биография
Ричардс родился в Нью-Йорке в семье Джорджа Х. Ричардса и Марианны Мидлбрук Ричардс. Обе семьи происходили из старых родов Новой Англии, поселившихся в Фэрфилде и Нью-Лондоне в 1600-х годах. Семья часто проводила лето в Коннектикуте. У него было две старшие сестры, Марианна и Сара. Марианна стала биохимиком[5]. Он учился в Академии Филлипса в Эксетере, где научился выдувать стекло и основам электроники, а также пытался измерить гравитационную постоянную с помощью 45-килограммовых пушечных ядер.
В 1943 году Ричардс поступил в Массачусетский технологический институт (MIT), выбрав химию в качестве основной специальности. Его учёба прервалась на два года службы в армии. Затем он присоединился к кафедре биохимии Гарвардской медицинской школы и лаборатории Барбары Лоу. В 1952 году он защитил докторскую диссертацию, посвящённую изучению плотности и содержания растворителя в кристаллах для определения молекулярной массы белков. В 1954 году он отправился в Карлсбергскую лабораторию в Копенгагене для постдокторских исследований под руководством Кая Линдерстрём-Ланга, где начал работу над ферментом рибонуклеазой[5][6]. В 1955 году Ричардс присоединился к преподавательскому составу Йельского университета, где проработал всю оставшуюся карьеру.
Ричардс был увлечённым яхтсменом. Он ходил под парусом по проливу Лонг-Айленд, вдоль канадского побережья, на Бермудские острова и несколько раз пересекал Атлантику[7][8]. У него и его жены были парусные лодки (Hekla 1 и 2) и моторная лодка «Sally’s Baage»[9], которую он построил сам[8]. Крис Анфинсен, друг и коллега Ричардса, также увлекался парусным спортом[8]. Уэнделл Лим писал, что Ричардс почти всегда брал месяц отпуска каждое лето для парусных экспедиций. Он также играл в хоккей с шайбой[5].
Ричардс жил в Гилфорде. Он был женат дважды: на Хайди Кларк Ричардс, дочери биохимика Ганса Кларка[10][11], и с 1959 года на Саре (Салли) Уитленд Ричардс, морском биологе[9]. У него было трое детей — Сара, Рут и Джордж — и четверо внуков[9]. Фред и Салли активно участвовали в местных проектах по охране земель[9][12]. Он пожертвовал 41 акр береговой линии Йельскому музею естественной истории Пибоди.
Научная карьера
Ричардс внёс вклад в экспериментальные и теоретические исследования, разработал новые методы, получив более 20 000 цитирований в различных областях исследований. Помимо белковой кристаллографии и биохимии рибонуклеазы S, его работы включали изучение доступности растворителя и внутренней упаковки белков, создание первой библиотеки ротамеров боковых цепей, кристаллографию высокого давления, новые типы химических меток (такие как биотин/авидин), индекс химического сдвига ядерного магнитного резонанса (ЯМР), а также структурную и биофизическую характеристику эффектов мутаций.
Ричардс провёл всю свою академическую исследовательскую карьеру в Йельском университете, где стал стерлингским профессором молекулярной биофизики и биохимии на кафедре, которую он создал и возглавлял[7]. Он был избран в Национальную академию наук США и Американскую академию искусств и наук. Он занимал должность руководителя Мемориального фонда медицинских исследований Джейн Коффин Чайлдс и избирался президентом Американского общества биохимии и молекулярной биологии (ASBMB) и Биофизического общества.
Двухкомпонентная система рибонуклеазы S
2 декабря 1957 года в Йельском университете Ричардс провёл эксперимент с белком рибонуклеаза А (РНКаза А), который повлиял на представление научного сообщества о физической природе молекул белков. С помощью протеазы (субтилизин) РНКаза А была преобразована в расщеплённый белок (РНКаза S), состоящий из двух частей: S-пептида и S-белка (Richards & Vithayathil, 1959). Ричардс разработал эту систему расщепления во время постдокторантуры в Карлсбергской лаборатории в Копенгагене, используя очищенный белок рибонуклеазы, предоставленный Кристиану Анфинсену компанией Armour Company[7][6]. Ричардс обнаружил, что по отдельности S-белок и S-пептид не обладают активностью РНКазы, но ферментативная активность восстанавливается при их рекомбинации в пробирке[14]. Этот эксперимент показал, что белки сохраняют трёхмерный порядок и прочное связывание между взаимодействующими частями, и что структурная информация заложена в самом белке. Это предвосхитило работу Анфинсена, показавшую, что последовательность определяет структуру[15], а также идею о том, что гормоны или другие малые молекулы могут специфически связываться с белками. Два года спустя структура белка миоглобина подтвердила такие специфические 3D-отношения[16]. Позже Ричардс вместе с Мэрилин Дошер и Фло Киочо продемонстрировал, что рибонуклеаза S и карбоксипептидаза ферментативно активны в кристаллах[5][17][18].
Кристаллическая структура рибонуклеазы
Ричардс возглавил работу по определению трёхмерной структуры РНКазы S вместе с Гарольдом В. Уайкоффом[19]. Анализ РНКазы S[20] и РНКазы А[21], опубликованный в 1967 году, сделал рибонуклеазу третьей структурой белка, определённой с помощью рентгеновской дифракции кристаллов, после миоглобина/гемоглобина и лизоцима куриного яйца[22]. В 1970 году группа из Йеля опубликовала структуру РНКазы S с разрешением 2,0 Å (Wyckoff et al., 1970,). Координаты рибонуклеазы S были депонированы в международный Банк данных белков в 1973 году как PDB 1RNS[23].
На чёрно-белом ленточном рисунке показан большой скрученный бета-лист (стрелки) рибонуклеазы, окружённый несколькими альфа-спиралями (спирали). Более короткий фрагмент S-пептида находится сзади, начинаясь в левом верхнем углу со спирали и заканчиваясь разрывом цепи (между остатками 20-21) в правом нижнем углу[13]. Активный центр для расщепления РНК включает одну боковую цепь гистидина из фрагмента S-пептида и другую из части S-белка[20]. Компьютерное изображение показывает наложенные структуры рибонуклеазы S и А. Совпадение 3D-структур показывает, что двухфрагментная система S сворачивается в активную форму (Wyckoff et al., 1970,).
«Ящик Ричардса»
В 1968 году во время творческого отпуска с Дэвидом Филлипсом в Оксфорде Ричардс разработал большой оптический компаратор, названный «ящиком Ричардса» (или «Причудой Фреда»). Устройство позволяло кристаллографам строить физические модели белковых структур, рассматривая сложенные листы электронной плотности через полупрозрачное зеркало[24][25]. После создания устройства он быстро построил цельноатомную латунную модель РНКазы S. Этот метод использовался для построения кристаллографических моделей белков до конца 1970-х годов, когда его заменили программы молекулярной компьютерной графики, такие как Grip-75[26] и Frodo[27].
Ричардс продемонстрировал чувство юмора в более позднем обзоре разработок в области использования и конструирования ящиков Ричардса[28]. Он предоставил «поправку к оригинальным библиографическим ссылкам» с диаграммами для театрального сценического приёма, который использовал выборочное освещение и лист зеркального стекла, наклонённый под углом 45°, чтобы создать иллюзию нимфы Амфитриты, поднимающейся из моря и парящей в воздухе. Ричардс отметил, что «если бы эта ссылка была известна автору в 1968 году, дальнейшего описания „причуды“ не потребовалось бы»[28].
Доступная для растворителя поверхность и молекулярная упаковка
Наиболее продолжительный научный интерес Ричардса был связан со сворачиванием и упаковкой белков, которые он изучал экспериментально и теоретически. Как резюмировал Джордж Роуз, «исследователей сворачивания белков можно разделить на „минимизаторов“ и „упаковщиков“. Первые стремятся минимизировать энергию взаимодействия между атомами или группами атомов, тогда как вторые концентрируются на вероятной геометрии, руководствуясь как ограничениями исключённого объёма, так и структурными мотивами, наблюдаемыми в белках с известной структурой». Фред оказал основополагающее влияние на «упаковщиков», которые опирались на его наблюдения о плотности упаковки, площадях и объёмах[8].
В 1971 году вместе с Бюнгкуком Ли Ричардс ввёл понятие и количественную меру доступной для растворителя поверхности (SAS) остатков аминокислот в свёрнутых белковых структурах (Lee & Richards, 1971). Поверхность строится путём отслеживания центра воображаемого шара с радиусом молекулы воды (принятым за 1,4 Å), когда он катится по поверхностям Ван-дер-Ваальса белков. Определение Ли и Ричардса было широко принято в качестве стандартной меры доступности растворителя[29] и как основа метода площади скрытой поверхности для оценки энергетики белок-белковых контактов[30].
Richards, 1974 ввёл построение многогранников Вороного в химию белков[31]. Этот подход был принят многими другими исследователями[32][33] и получил математическое обоснование в работах Герберта Эдельсбруннера[34]. В 1987 году вместе с Джеем Пондером Ричардс разработал первую библиотеку ротамеров боковых цепей (Ponder & Richards, 1987). С тех пор другими исследовательскими группами были созданы более подробные библиотеки ротамеров, такие как зависимая от основной цепи библиотека ротамеров, которые используются для валидации структуры[35], гомологичного моделирования или дизайна белков[36]. Вместе с Крейгом Кундротом Ричардс исследовал влияние высокого давления (1000 атмосфер) на структуру белка, используя кристаллы лизоцима куриного яйца[37]. В 1990-х годах Ричардс и его сотрудники использовали сочетание теории и эксперимента для изучения того, как хорошо упакованная внутренняя часть белков может тем не менее вмещать мутации[38][39][40].
Другие области исследований
В 1970-х годах лаборатория разработала серию химических[41], фотохимических[42] и сшивающих меток для определения положения и взаимосвязей белков в биологических мембранах (Peters & Richards, 1977), включая глутаральдегид[43] и одно из первых общих применений взаимодействия биотина с авидином, прикреплённого к ферритину для использования в электронной микроскопии[44][45][46]. Система биотин-авидин быстро стала центральным методом в клеточной биологии, иммунологии и белковой инженерии, а также в электронной микроскопии[47].
Вместе с Дэвидом Уишартом и Брайаном Сайксом он разработал индекс химического сдвига для ЯМР-отнесения вторичной структуры белков (Wishart, Sykes & Richards, 1991 и Wishart, Sykes & Richards, 1992). Этот метод до сих пор считается стандартным инструментом в области ЯМР[48]. Около 1990 года Хомме Хеллинга вместе с Ричардсом разработал вычислительные инструменты для проектирования металл-связывающих сайтов в белках[49] и использовал их для создания нового металлического сайта в тиоредоксине[50].
Ричардс указан как депозитор 27 записей кристаллических структур в Банке данных белков, включая рибонуклеазу S, лизоцим куриного яйца, домены SH3, аламетицин, а также мутанты рибонуклеазы S, стафилококковой нуклеазы и репрессора лямбда в комплексе с ДНК.
Административная деятельность и наставничество
Кафедра молекулярной биофизики и биохимии («MB&B»), которую Ричардс основал и возглавлял в Йеле, объединила кафедру биохимии медицинской школы и кафедру молекулярной биофизики университета. Многие преподаватели кафедры стали членами Национальной академии наук США[7][8], а Том Стейц получил Нобелевскую премию в 2009 году за кристаллические структуры рибосомы[51]. Ричардс был известен как наставник и друг для студентов, преподавателей и коллег[11]. Его коллега Джордж Д. Роуз писал, что лекции Ричардса были проницательными, читались с ясностью и юмором, и что Ричардс работал над улучшением научного сообщества в целом[8]. В конце 1980-х годов он был основным автором письма, которое призывало к политике депонирования 3D-атомных координат в научных журналах, в Национальных институтах здравоохранения (NIH) и у отдельных кристаллографов[52]. Он также выступал за снижение общего давления на публикации и повышение внимания к нескольким первоклассным статьям.
Основные события карьеры
- 1954, постдокторант NRC, Карлсбергская лаборатория, Дания[6]
- 1955, присоединился к преподавательскому составу Йельского университета, на кафедре биохимии в Медицинской школе[11]
- 1963, профессор и заведующий кафедрой молекулярной биофизики Йельского университета
- 1965, Премия Pfizer в области химии ферментов
- 1968, член Американской академии искусств и наук[53]
- 1969-73, первый заведующий кафедрой молекулярной биофизики и биохимии в Йеле
- 1971, член Национальной академии наук США[54]
- 1972, президент Биофизического общества[55]
- 1976-91, директор Мемориального фонда медицинских исследований Джейн Коффин Чайлдс
- 1978, премия Кая Линдерстрём-Ланга в области химии белков
- 1979, президент Американского общества биохимии и молекулярной биологии (ASBMB)[11]
- 1988, премия Merck Американского общества биохимии и молекулярной биологии[56]
- 1988, премия Стайна и Мура Белкового общества[57]
- 1992, член Американского философского общества
- 1995, Медаль науки Коннектикута[7]
Примечания
Ссылки
Дополнительно по теме
 | ||||
|---|---|---|---|---|
