Sie hatte zwar keinen Doktortitel, war aber einst die Person, mit der Strukturbiologen am liebsten „zusammenarbeiten“ wollten.

Um die komplexe dreidimensionale Struktur von Proteinen zu vereinfachen und zu visualisieren, erfanden Wissenschaftler das aus Bändern, Linien und Pfeilen bestehende Banddiagramm. Es ist heute die am häufigsten verwendete Methode zur Darstellung der dreidimensionalen Struktur von Proteinen. Wie also wurde es erfunden und welche Bedeutung hat sein Aufkommen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft?

Geschrieben von | Xiaochaxie

Haben Sie keine Angst, neue Wege einzuschlagen. Teilen Sie Ideen und Ergebnisse, arbeiten Sie zusammen und geben Sie sie frei weiter.

Scheuen Sie sich nicht, neue Wege auszuprobieren. Teilen Sie Ideen und Ergebnisse frei, arbeiten Sie zusammen und tragen Sie sie bei.

——Jane Richardson

Im Jahr 1958 gelang es dem britischen Biologen John Cowdery Kendrew und anderen Forschern, die Tertiärstruktur des Myoglobins von Pottwalen mithilfe von Röntgenbeugungsmethoden zu bestimmen und ihre Ergebnisse in Nature zu veröffentlichen. Dies ist das erste Protein in der Menschheitsgeschichte, dessen Struktur höherer Ordnung mithilfe der Röntgenbeugungstechnologie gelöst wurde. 1962 erhielten Kendrew und Max Perutz gemeinsam den Nobelpreis für Chemie für die Analyse der Hämoglobinstruktur. Seitdem hat die Strukturbiologie als Disziplin begonnen, aufzublühen.

Zur gleichen Zeit hatte auf der anderen Seite des Atlantiks in den Vereinigten Staaten ein 17-jähriges Mädchen namens Jane Shelby gerade den dritten Platz bei der Westinghouse Science Talent Search gewonnen, weil sie die Flugbahn des von der Sowjetunion gestarteten Satelliten Sputnik mit bloßem Auge beobachtet und berechnet hatte. Der Wettbewerb begann 1942 und dauert bis heute an. Mittlerweile wird er von der amerikanischen Firma Regeneron gesponsert (der Name des Wettbewerbs lautet Regeneron Science Talent Search) und zielt darauf ab, wissenschaftliche Talente bei Gymnasiasten zu entdecken und zu fördern.

Abbildung 1 Janes Noten sind noch verfügbar

Janes Vater ist Elektroingenieur. Vielleicht durch den Einfluss ihrer Familie entwickelte sie ein großes Interesse an Mathematik und Luft- und Raumfahrt, seit sie in der dritten Klasse der Grundschule das Hayden Planetarium in New York, USA, besuchte. Später besuchte sie das Swarthmore College, eines der besten Liberal Arts Colleges in den USA, und schloss ihr Masterstudium an der Harvard University ab. Nach ihrem Abschluss arbeitete Jane eine Zeit lang als Lehrerin an einer Mittelschule und wechselte dann als Technikerin in ein Labor am MIT, wo sie begann, sich mit dem Bereich der Strukturbiologie zu beschäftigen und David Richardson kennenlernte, der zu dieser Zeit promovierte.

Die Beziehung zwischen Jane und David blühte bei der Arbeit auf und sie heirateten. Nach ihrer Heirat verfolgten sie dieselben wissenschaftlichen Forschungsziele. Nachdem sie die Beispiele von Kendrew und anderen wiederholt nachgebaut hatten, analysierten und demonstrierten die beiden 1969 schließlich die Struktur von Cytochrom C – dem zehnten Protein, das in der Geschichte der Menschheit entschlüsselt wurde. (Abseits vom Thema: Wenn wir „die Frucht der Liebe“ sagen, ist das nur eine Metapher. Sie haben wirklich eine Frucht. Da gibt es keinen Vergleich. Da gibt es keinen Vergleich.)

Da immer mehr Proteinstrukturen entschlüsselt werden, stehen Strukturbiologen vor einem neuen Problem: Wie lässt sich die Struktur des Proteins genau darstellen, insbesondere wie lässt sich die dreidimensionale Struktur des Proteins auf einer zweidimensionalen Ebene, beispielsweise Papier, darstellen? Als Kendrew et al. Als sie die erste Struktur veröffentlichten, entschieden sie sich, ein Modell zu erstellen und dann Fotos davon zu machen. Dies ist offensichtlich weder konsequent noch praktisch. Aber die Menschen hatten damals keine bessere Lösung.

Um 1980 herum machte Jane dieses Problem immer noch zu schaffen. Einmal spielte sie versehentlich mit einem Gürtel in der Hand. Der aufgerollte Gürtel sah aus wie ein verbundenes Aminosäureskelett, was bedeuten könnte, dass dreidimensionale Proteine ​​besser visualisiert werden könnten. Auf dieser Grundlage erfand sie nach einem Jahr der Überarbeitung das weitreichende Bandmodell (Banddiagramm, manchmal übersetzt als „Bandmodell“ usw.) und schrieb einen Artikel mit dem Titel „The Anatomy and Taxonomy of Protein Structure“, der 1981 im Jahrbuch „Advances in Protein Chemistry“ veröffentlicht wurde. Der Artikel umfasst mehr als 170 Seiten und hat Jane Richardsons Pionierposition auf dem Gebiet des Protein-3D-Renderings 2 (eine Technologie, die Computer oder manuelles Rendering verwendet, um dreidimensionale räumliche Strukturen auf zweidimensionalem Papier, Bildschirmen usw. darzustellen, damit Leser und Betrachter sie lesen, ansehen und verstehen können) etabliert.

Als Janes Arbeit veröffentlicht wurde, erhielt sie großes Lob von ihren Kollegen. Der Grund ist einfach: Die Verwendung ist einfach zu einfach. Das Bandmodell ordnet das Aminosäurerückgrat, aus dem ein Protein besteht, klar und effektiv an und stellt es dar. Da das Aminosäurerückgrat bei geringerer Energie spontan Strukturen wie die α-Helix und die β-Faltung bildet, verwendete Jane auf kreative Weise eine Struktur, die einem dekorativen Band ähnelt, um die α-Helix darzustellen, einen flachen Pfeil, um die β-Faltung darzustellen, und eine dünne Linie, um die Schleife darzustellen, die die beiden Strukturen verbindet.

Abbildung 2 Das linke Bild ist JC Kendrews „Modellfotografie“; Das rechte Bild zeigt Jane Richardsons „Ribbon Model“-Manuskript. Bildquelle: Referenz [1]/Jane Richardson

Die Erfindung dieses Modells verblüffte die gesamte Community, doch die Kollegen stellten bald fest, dass nicht jeder ein so schönes und genaues Bild zeichnen konnte. So wurde Jane in dem Kreis zu einer beliebten „Malerfrau“. Zahlreiche Kollegen schrieben ihr und fragten: „Können Sie mir helfen, meine Struktur zu zeichnen?“

Offensichtlich kann Jane nicht so viele Strukturen alleine zeichnen, und die Entwicklung der Wissenschaft kann nicht auf die künstlerischen Talente der Wissenschaftler angewiesen sein. Also dachten Jane und David darüber nach, die Computergenerierung zu nutzen. Die 1980er und 1990er Jahre waren eine Zeit rasanter Entwicklung in der Computertechnologie, doch es dauerte etwa ein Jahrzehnt, bis endlich ein Algorithmus entwickelt wurde, mit dem sich Bandmodelle erzeugen ließen. Nachdem Jane dieses Computerprogramm fertiggestellt hatte, sagte sie glücklich: „Endlich muss ich nicht mehr mit der Hand zeichnen!“ Es ist schwer vorstellbar, was sie in den letzten zehn Jahren durchgemacht hat.

Janes Arbeit war nicht beendet, als sie ihren Pinsel niederlegte. Sie vertiefte sich immer weiter in das Gebiet der Strukturbiologie und fügte dem Modell immer wieder neue Funktionen hinzu, von denen viele noch heute verwendet werden, wie etwa die Darstellung von Wasserstoffbrücken und gebundenem Wasser.

Es lässt sich nicht leugnen, dass das Ribbon-Modell gewisse Einschränkungen aufweist. Um die Struktur zu vereinfachen, beschreibt es beispielsweise nur das Rückgrat der Aminosäuren, spiegelt aber nicht die Seitenketten wider. Daher können die Kanäle, Unebenheiten und anderen Bindungsstellen auf der Proteinoberfläche, die für intermolekulare Wechselwirkungen wichtig sind, nicht angezeigt werden. Daher entwickelten spätere Generationen auf der Grundlage dieses Modells klassische Modelle wie das Kugel-Stab-Diagramm und das Raumfüllungsdiagramm, damit die Leser sie verstehen konnten.

Abbildung 3: Vergleich dreier häufig verwendeter Modelle. Das linke ist das von Jane Richardson erfundene Bandmodell, das sich auf die Eigenschaften des Proteins wie das Aminosäureskelett und die Strukturdomäne konzentriert; das mittlere ist das Kugel-Stab-Modell, das die Position jedes Atoms genauer angibt; Das rechte Modell ist das Raumbelegungsmodell, das durch Anzeige des Volumens jedes Atoms die tatsächliche räumliche Verteilung von Atomen oder Atomclustern in Proteinmolekülen intuitiver darstellen kann und die strukturellen Eigenschaften der Proteinmoleküloberfläche wie Morphologie, Kanäle und Poren zeigt, was beim Auffinden potenzieller Bindungsstellen in Bereichen wie der Arzneimittelentwicklung hilfreich ist. Bildquelle: Protein Data Bank

Manche Leute nennen das linke Bild in Abbildung 3 ein „Cartoon“-Bild. Tatsächlich gibt es Unterschiede in der Benennung verschiedener Modellsysteme. Beispielsweise verwenden in der Protein Structure Database (RCSB PDB) sowohl Cartoon als auch Ribbon Bänder zur Darstellung der α-Helix und der β-Faltung. Der Unterschied besteht darin, dass im amorphen Bereich von Cartoon zylindrische dünne Linien verwendet werden und Pfeile verwendet werden, um die Richtung der β-Faltung anzuzeigen. während der amorphe Bereich von Ribbon flache Bänder ähnlich der α-Helix und der β-Faltung verwendet und es keine Pfeile für die β-Faltung gibt – dies sind alles Änderungen, die an Janes Originalversion vorgenommen wurden.

Abbildung 4 Das linke Bild zeigt „Cartoon“ im PDB; Das rechte Bild zeigt „Ribbon“ (PDB: 1FPU).

Auch an anderen Stellen gibt es Unterschiede in der Namensgebung. Beispielsweise ähnelt das „Cartoon“-Diagramm in der PyMol-Software dem in diesem Artikel erwähnten „Ribbon“ und dem „Cartoon“ von PDB, während das „Ribbon“ eine Anzeigemethode ist, die nur den Stamm anzeigt, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5 Das linke Bild zeigt „Ribbon“ in PyMol und das rechte Bild zeigt „Cartoon“ (PDB: 1FPU).

Auf jeden Fall ist das Bandmodell bis heute das erfolgreichste Proteinmodell und das Modell, das in wissenschaftlichen Forschungsarbeiten und populärwissenschaftlichen Büchern am häufigsten vorkommt. Viele Lehrer müssen ihre Schüler immer wieder daran erinnern: „Das ist nur eine grobe Schätzung. In deinem Körper befinden sich keine Pfeile und Spiralen.“ Dieses Modell habe ich auch in vielen meiner früheren Arbeiten verwendet. Ich möchte Oma Jane meinen Dank aussprechen.

Abbildung 6: Janes frühe Zeichnungen weisen bereits die typischen Merkmale des zeitgenössischen „Ribbon“ oder „Cartoon“ auf. Bildquelle: doi.org/10.1038/77912

Jane Richardson hat zusammen mit ihrem Geliebten David hart an der Entwicklung der Strukturbiologie gearbeitet und große Beiträge zur Proteinstrukturanalyse und zu Methoden der Strukturvisualisierung geleistet. Sie haben zur Erstellung der Proteindatenbank beigetragen. 2019 feierten sie gemeinsam ihr 50-jähriges Jubiläum an der Duke University und die Verantwortlichen der Duke University nannten Jane die Mutter der Banddiagramme. Während der COVID-19-Pandemie trugen sie auch zur Strukturanalyse des neuen Coronavirus-Proteins bei. Bis heute haben sie ihre eigene Forschungsgruppe an der Duke University.

Abbildung 7 Jane Richardson | Bildquelle: duke.edu

Jane Richardson erhielt in ihrem Leben nie einen offiziellen Doktortitel, aber von drei Schulen wurde ihr die Ehrendoktorwürde verliehen. Sie ermutigt junge Menschen nachdrücklich, neue Dinge zu erforschen, und sagte in einem Interview: „Manchmal denke ich, dass junge Menschen Proteine ​​heute genauso betrachten wie ich in den 1980er Jahren. Vielleicht habe ich eine gute Methode erfunden, aber es ist definitiv nicht die einzige. Wie ein Protein aussieht, hängt davon ab, wie man es darstellen möchte.“

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