Šā gada Nobela prēmijas ķīmijā galvenā daļa ir piešķirta izcilajam Šveices zinātniekam prof. Kurtam Vītriham, kurš pašreiz strādā ASV, Kalifornijā. Tādējādi ir ticis godināts viņa daudzu gadu veikums bioloģiski aktīvo makromolekulu struktūras noteikšanā ar kodolmagnētiskās rezonanses spektroskopiju, kas ir būtisks visai mūsdienu zinātnei. Latvijas lasītāju šī ziņa var interesēt arī tādēļ, ka izcilais zinātnieks savulaik (1977.g.) apmeklējis Rīgu un viens no viņa līdzstrādniekiem ir bijis Organiskās sintēzes institūta pētnieks Dr. Edvards Liepiņš (tagad Latvijas Zinātņu akadēmijas īstenais loceklis), kuram ir kopā ar prof. K. Vītrihu sešpadsmit publicēti darbi. Pašreiz E. Liepiņš strādā Stokholmā, Karolinska institūta medicīniskās bioķīmijas un biofizikas nodaļā, turpina K. Vītriha institūtā Cīrihē aizsāktos ārkārtīgi nozīmīgos un internacionālajā zinātnē rezonansi guvušos pētījumus. Viņš varēs šā gada 10.decembrī Stokholmā personiski apsveikt savu skolotāju Nobela prēmijas saņemšanas dienā un arī nodot viņam apsveikumu no Latvijas Zinātņu akadēmijas. Taču E. Liepiņš pats vēlētos atgriezties Rīgā un izvērst te pētījumus kodolmagnētiskās rezonanses jomā, bioloģiski aktīvu vielu struktūras noskaidrošanā. Līdz ar to izvirzās Latvijai ārkārtīgi nozīmīgā zinātnieku reemigrācijas problēma, ko mūsu valstī beidzot būtu jāsāk risināt. Sakarā ar to lūdzu E. Liepiņu mazliet pastāstīt Latvijas sabiedrībai par prof. K. Vītrihu un viņa veikumu, lai veicinātu diskusiju šajā virzienā.

Latvijas Zinātņu akadēmijas prezidents prof. Jānis Stradiņš

2002. gadā Nobela prēmija ķīmijā (10 milj. SEK) piešķirta trim zinātniekiem: Koichi Tanakam (K. Tanaka) (Shimadzu Biotech kompānija, Kioto, Japāna), Džonam Fennam (J. Fenn) (Virdžīnijas universitāte, Ričmonda, ASV) un Kurtam Vītriham (K.Wūthrich) (Federālā Tehniskā augstskola, Cīrihe, Šveice, un tagad arī Skripsa Pētniecības institūts, LaHolla, ASV) par “bioloģisko makromolekulu identifikācijas un uzbūves analīzes metožu attīstīšanu”.

Pusi no prēmijas sadala K.Tanaka un Dž.Fenns par darbiem bioloģisko molekulu “mīksto” jonizācijas metožu — MALDI (Matrix Assisted Laser Destortion Ionization) un elektrojonizējošas uzplūdes metodes (electrospray) — radīšanu.

Otra puse prēmijas piešķirta K.Vītriham par kodolu magnētiskās rezonanses (KMR) metožu radīšanu bioloģisko makromolekulu trīsdimensiju telpiskās uzbūves un dinamikas noteikšanai šķīdumos. KMR metodi tagad plaši lieto telpiskās uzbūves pētīšanai tādām makromolekulām, kuras nekristalizējas, kā arī fascinējošās problēmas, struktūra —funkcija, analīzei makromolekulu dabiskajos apstākļos — šķīdumā un pat šūnu iekšienē.

Interesanti, ka Nobela prēmiju jau trešo reizi piešķir pētniekiem, kuri nodarbojas ar KMR. Pirmo reizi 1952. gadā to piešķīra KMR metodes atklājējiem F.Bloham (F. Bloch) un E.M. Parselam (E.M.Purcell) fizikā “par jaunu metožu radīšanu kodolu magnētisma precīzai mērīšanai un atklājumiem to sakarā”, otro reizi jau ķīmijā R.Ernstam (R. Ernst) (1991.g.) par “ieguldījumu augstas izšķiršanas spējas kodolu magnētiskas rezonanses spektroskopijas metodoloģiju attīstībā”.

Fakts, ka Nobela prēmiju jau trešo reizi piešķir zinātniekiem, kuri strādā ar KMR, liecina par metodes attīstības unikālajām iespējām. Interesanti arī tas, ka trīs no visiem četriem ar KMR saistītajiem Nobela prēmijas laureātiem ir no Cīrihes (F.Blohs dzimis Cīrihē, R.Ernsts un K.Vītrihs strādāja Šveices Federālajā Tehniskajā augstskolā, Cīrihē).

K.Vītrihs ar proteīnu kodolu magnētisko rezonansi nodarbojas kopš 1967. gada. Sākot šos pētījumus, literatūrā nebija atrodami vairāk par 10 darbiem, kuros par KMR pētījumu objektiem būtu izmantotas bioloģiskas makromolekulas. Secinājumi toreiz bija vairāk nekā pesimistiski par perspektīvām šādu molekulu pētniecībai ar KMR. Tomēr, sekojot ārkārtīgi intensīvai KMR instrumentālās tehnikas attīstībai, kopā ar saviem līdzstrādniekiem K.Vītriham izdevies radīt konceptuālu KMR metodi proteīnu struktūras noteikšanai šķīdumos, kura tagad pasaulē ir vispāratzīta un pielietota jau vairāk par 2000 proteīnu telpiskās uzbūves analīzei. Metode bāzējas uz četriem ”vaļiem”:

1. Starpatomu nukleārā Overhauzera effekta (NOE) intensitātes atkarība no attāluma starp magnētiski aktīvajiem kodoliem, kuri savstarpēji mijiedarbojas. Parasti tie ir ūdeņraža atomi, starp kuru kodoliem novērojams NOE. Ūdeņraža atomu skaits biomolekulā ir milzīgs, tādēļ to izmantošana neprasa speciālu bagātināšanu, bet varētu izmantot arī citus magnētiski aktīvos kodolus, kā 15N,13C,31P, ja makromolekulu attiecīgi bagātina.

2. Aminoskābju atlikumu un nukleotīdu saistība makromolekulā, izmantojot sekvences specifisko NOE novērtējumu. Šādus NOE datus KMR eksperimenta laikā savāc pēc iespējas vairāk — vairākus tūkstošus NOE intensitāšu, kuri raksturo noteiktus attālumus molekulā un tādējādi definē ūdeņraža atomu savstarpējo izvietojumu molekulā.

3. Izstrādātām programmām KMR datu telpiskai interpretācijai un molekulu uzbūves novērtēšanai. Lielo iegūto datu apjomu iespējams izanalizēt tikai ar datoru palīdzību, tādēļ K.Vītriha laboratorijā izstrādātas KMR datu apstrādes programmas, kas piemērotas makromolekulu telpiskās uzbūves aprēķiniem un kvalitātes novērtēšanai.

4. Multidimensionālās KMR pielietošana efektīvai eksperimentālo datu savākšanai. Kopā ar citu Nobela prēmijas laureātu KMR R.Ernstu K.Vītrihs ieviesis divdimensiju KMR bioloģiskajām makromolekulām. Tas ievērojami palielina izšķiršanas iespējas daudzo tūkstošu NOE identifikācijai un analīzei. Līdz ar bioloģisko sintēzes metožu attīstību pašreiz jau par rutīnu kļuvuši ir trīs— un pat četrdimensiju KMR makromolekulām, kas iezīmētas ar stabilajiem izotopiem — 2H,13C,15N. Tas atļauj tālāk palielināt detektējamo attālumu skaitu un metodes spektrālo izšķiršanas spēju, līdz ar to ievērojami paplašināt kā pētāmo objektu klāstu, tā arī to molekulsvaru.

K.Vītriha laboratorijā noteikta pirmā trīsdimensionālā proteīna struktūra šķīdumā — vērša spermas proteināzes inhibitora 11 (BUSI) struktūra (1984.g.). Atsevišķi atzīmējama pirmā ”augstās izšķiršanas” KMR struktūra — proteīnam tendamistatam, kuru paralēli noteica šķīdumā ar jauno KMR metodi un cietā stāvoklī ar rentgenstruktūranalīzes palīdzību. Rezultāti praktiski sakrita, kas noteica tālāko KMR metodes atzīšanu un pielietošanu. Kopumā K.Vītriha laboratorijā līdz šim izanalizēti spektri un aprēķinātas telpiskās struktūras vairāk nekā 60 proteīniem ar bioloģiski nozīmīgu funkciju. Starp šādiem sasniegumiem īpaši jāatzīmē pirmā KMR struktūra metāla jonus saturošam proteīnam, pirmā KMR struktūra proteīna—dezoksiribonukleīnskābes (DNS) kompleksam: homeodomēna—operatora DNS transkripcijas regulēšanas sistēmai. Īpaša nozīme imūnās sistēmas funkciju analīzē ir proteīna—proteīna kompleksam — ciklosporīna A—ciklofilīna A sistēmai. Tāpat prionu proteīnu (cilvēka, govju, vistas) telpisko struktūru analīzei šķīdumos, kuras veido molekulāros pamatus transmisīvo encefalopātiju slimību cēloņu apzināšanai, kas pēdējos gados izraisījušas tik lielus zaudējumus Eiropā un bailes visā pasaulē.

Bioloģisko makromolekulu KMR raksturojums K. Vītriha laboratorijā krietni vien pārsniedz tikai telpiskas struktūras noteikšanu. Biomolekulas karkasa dinamikas un konformāciju līdzsvara pētījumi šķīdumos ietver aromātisko aminoskābju sānu ķēžu apgrūtinātu rotāciju, amīdu protonu apmaiņas procesus ar ūdens molekulām atkarībā no aminoskābes atlikuma novietojuma makromolekulā un to saistību ar vispārējo biomolekulas galvenās ķēdes dinamiku, X—Pro amīda saites un S—S disulfīda saites asimetrisku topoizomerizāciju.

Sekmīgs bioobjektu mijiedarbības un selektivitātes izskaidrojums nav iespējams, neievērojot to mijiedarbību ar apkārtējo vidi. K.Vītriha laboratorijā KMR izmantota, pētot mijiedarbību ar šķīdinātāja molekulām. Iegūtie rezultāti revidēja dominējošos uzskatus, ka bioobjektu virsma pārklāta ar relatīvi mazkustīgu šķīdinātāja slāni. Šķīdinātāja molekulu rezidences laiks uz proteīnu virsmas nepārsniedz 0.5 ns. Ilgāks rezidences laiks konstatēts šķīdinātāja molekulām, kas atrodas dziļās makromolekulas virsmas ieplakās vai pat ieslēgtas to iekšienē. Šķīdinātāja molekulām ir strukturāla loma, modificējot proteīnu—DNS mijiedarbību.

Sevišķi iespaidīgi ir K.Vītriha laboratorijas sasniegumi pēdējo gadu laikā līdz ar transversās relaksācijas optimizētās spektroskopijas (TROSY) un CRINEPT (kross—korelētās relaksācijas pastiprinātā polarizācijas pārnese) metožu ieviešanu, kas atļauj palielināt pētāmo objektu izmērus un molekulsvaru (pat līdz 800—1000 kDa). Šīs metodes padara iespējamus struktūras un dinamikas pētījumus membrānu proteīniem, kas konstituēti ūdenī šķīstošās micellās, kā arī milzīgu proteīnu agregātu pētījumus, kuri tieši raksturo fiziskos—ķīmiskos parametrus bioloģiskajos dzīvības procesos.

Visu šo darbu netiešs, bet ārkārtīgi būtisks pielietojums ir arī K.Vītriha laboratorijā izstrādāto KMR spektrālo metožu un principu izmantošana jaunu ārstniecības preparātu radīšanā. Medicīnisko preparātu prototipu molekulu mijiedarbības pētījumi ar biomakromolekulām vairākkārtīgi paātrina zāļu radīšanas procesu, varētu teikt pat, ka pilnīgi revolucionizējuši medicīnisko preparātu radīšanas tehnoloģiju un tas jau šodien dod milzīgu ekonomisko efektu. Manuprāt, tieši šie pēdējo gadu sasniegumi un to pavērtās nākotnes iespējas, šo pieeju ekonomiskais efekts, noteica Nobela prēmijas trešreizējo piešķiršanu KMR.

Prof. K.Vītriham ir seni kontakti ar Latvijas Organiskās sintēzes institūta (OSI) zinātniekiem. Mūsu pirmie kontakti notika viņa vizītes laikā Rīgā 1977. gada augustā, kad viņš nolasīja lekciju par tolaik ārkārtīgi jaunas metodes 2D—spektroskopijas pielietošanu peptīdu pētīšanai. OSI tajos gados ar prof. G. Čipēna tiešu atbalstu notika plaša peptīdu hormonu telpiskās organizācijas pētniecība, izmantojot arī KMR metodoloģiju un jauno, tikko iegādāto Bruker firmas 90 MHz impulsu KMR spektrometru, kurš aizvietoja ilgus gadus OSI ekspluatētos pakāpeniskās izvērses spektrometrus. Pēc lekcijas profesors iepazinās ar mūsu aparatūru un iespējām, pievēršot uzmanību kvalitatīvajiem spektriem. Ar prof. J.Stradiņa un prof. G. Čipēna līdzdalību tika ievadītas sarunas par iespējamo kāda OSI līdzstrādnieka stažēšanos Cīrihē, kura būtu iespējama gan tikai pēc jaunā laboratoriju korpusa celtniecības pabeigšanas Federālajā Tehniskajā augstskolā.

1981. gada jūnijā OSI sāka darbu jauns KMR instruments — 360 MHz spektrometrs, kurš jau bija piemērots lielāku molekulu pētniecībai, kā arī 2D spektru uzņemšanai. Mūsu līdzstrādnieks Ilmārs Sekacis vairākus mēnešus Maskavā, prof. V.Bistrova laboratorijā apguva 2D spektroskopijas pamatus un, viņam atgriežoties, mums izdevās uzņemt 2D spektrus vairākiem samērā sarežģītiem peptīdu hormoniem, kā angiotenzīnam, oksitocīnam, bombezīnam, bradikinīnam. It seviški sarežģīti bija spektri pēdējam, jo sastāvēja no vairāku konformēru superpozīcijas un pēc sarežģītības jau tuvojās ”paraugiem” ārzemju literatūrā.

Jāatzīmē arī, ka 80. gadu sākumā un vidū OSI KMR grupā tika aizstāvētas vairākas zinātņu kandidāta disertācijas, veltītas peptīdu hormonu telpiskās uzbūves saistībai ar to bioloģiskajām funkcijām (I.Sekacis, J.Saulītis), kurās izmantojām arī 2D spektroskopiju.

Dažus no šiem pirmajiem spektriem izdevās parādīt un izdiskutēt ar prof. K. Vītriha tolaik tuvāko līdzstrādnieku, tagad profesoru ASV, Gerhardu Vāgneru (G. Wagner), kurš Šveices un PSRS simpozija delegātu sastāvā apmeklēja arī OSI. Spektru kvalitāte un interpretācija G.Vāgneram izraisīja palielu interesi, kura acīmredzot tika nodota tālāk arī K.Vītriham.

1988. gadā es personīgi aizstāvēju habilitētā doktora disertāciju par daudzkodolu KMR pielietojumu elementorganisko savienojumu telpiskās un elektroniskās uzbūves pētījumos un sāku domāt, ko darīt tālāk. Globālā aspektā dzelzs priekškars sāka pamazām vērties vaļā arī bezpartijiskajiem zinātniekiem un atlase pēc ”deguniem” un partijiskās piederības vairs nebija tik stingra. Lasot literatūru, kļuva skaidrs, ka turpmākā KMR attīstība pasaulē notiks tikai caur tās pielietojumu biomakromolekulu pētniecībā un, ja gribam neatpalikt, jāmēģina tuvāk apgūt biomolekulu jaunākās pētīšanas metodes. Mans kolēģis Dr. Juris Saulītis ieguva Aleksandra Humbolta stipendiju un devās stažēties uz vienu no peptīdu un proteīnu pētniecības centriem Eiropā — prof. Horsta Keslera (H. Kessler) laboratoriju Minhenē. Kopā ar prof. J.Stradiņu nolēmām atgādināt prof. K.Vītriham viņa veco solījumu — uzņemt stažēties kādu līdzstrādnieku no OSI. Viņš to nebija aizmirsis, un tā 1990. gada sākumā uz gadu ierados darbā Cīrihē. Jāsaka uzreiz, ka šis viens gads izvērtās par trijiem ļoti auglīgiem zinātniski un daudz personisku iespaidu pilniem gadiem.

Prof. K.Vītrihs norīkoja mani kopā ar dr.Gotfrīdu Otingu (G. Otting) pētīt starpmolekulāros Overhauzera efektus starp ūdens šķīdinātāja un proteīnā ietilpstošajiem ūdeņraža kodoliem. Zinātniskā ziņā šo darbu nācās sākt no nulles, jo OSI mēs nekad pie šīm problēmām nebijām strādājuši un tādējādi nekādas iepriekšējas pieredzes īstenībā nebija. Pati tematika man personīgi bija pilnīgi jauna un agrāk pat nedzirdēta.

Lai darbu varētu veikt, vispirms bija jāveic pilnīga attiecīgā proteīna (no sākuma tas bija vērša kuņģa tripsīna inhibitors, BPTI) spektru analīze, kas jaunpienācējam nav pārāk viegls uzdevums, jo jāveic interpretācija arī tādiem signāliem, kas ātri apmainās ar ūdens protoniem un parasti netiek izmantoti telpiskās struktūras raksturošanai, jo vai nu ir pārāk ”labili”, vai pārāk grūti tehniski interpretējami (parasti lizīna, histidīna, arginīna sānu kēžu, N—gala aminoskābes NH protoni, kā arī tirozīna, serīna, treonīna sānu kēžu OH protoni). Pierakstījām lielu skaitu spektru dažādos eksperimentālos apstākļos un veicām to pilnu analīzi uz 600 MHz instrumenta, kas pats par sevi man personīgi bija liels emocionāls notikums, jo tāds instruments bija labākais, kas tobrīd pasaulē bija pieejams. Bet vēlāk, kad biju jau iepazinis šā instrumenta ”dvēseli”, visa laboratorija atzina, ka neviens neprot ”izvilināt” skaistākus spektrus. Acīmredzot izpaudās tā ilggadīgā pieredze, ko pašmācības ceļā un nemitīgi konsultējoties ar Latvijas KMR ”vectēvu”, elektronikas inženieri Pēteri Tomsonu, bijām apguvuši uz saviem instrumentiem OSI.

Starpmolekulāro NOE efektu mērīšana tehniski ir sarežģīta, jo prasa milzīgā ūdens šķīdinātāja signāla (protonu koncentrācija ~110 M) efektīvu eliminēšanu ļoti īsā laika periodā (1—2 milisekundēs). Šim nolūkam izveidojām speciālu impulsu sekvenci, kurā iekļāvām divus perpendikulārus radiofrekvenču gradientus. Metode izrādījās ļoti efektīva un robusta, t.i., tā neprasīja nekādas papildu iekārtas vai regulēšanas, bet strādāja vienmēr.

Savu pētījumu rezultātus publicējām vienlaikus ar grupu ASV, un tie papildināja viens otru. Vispār jāatzīst, ka konkurence bija liela un vairākus, manuprāt, skaistus rezultātus neizdevās publicēt, jo bijām pārāk lēni. Bet tā jau ir visu zinātnieku problēma, ja izdodas publicēt ~50% no tā, kas izdarīts, tad var uzskatīt, ka paveicies.

Pētot BPTI mutantu, kurā 36.vietas aminoskābe — glicīns bija aizvietota ar serīnu, BPTI(G36S), ievēroju vairākus signālus, kurus nebija iespējams identificēt. Paraugs bija tīrs, un tie nevarēja būt piemaisījumi. Sākām pētīt šo lietu un konstatējām, ka identificējami vairāku tipu signāli — vieni bija divu nevienādi apdzīvotu konformāciju apmaiņas signāli, otri radās no papildus minorā konformēra. Izmantojot 15N—iezīmētus paraugus, raksturojām apmaiņas kinētiskos un termodinamiskos parametrus, arī konstatējām, ka visvarbūtīgākā ir Cys14—Cys38 disulfīda saites lokāla rotācija. Ieinteresējāmies, vai šāds process nav iespējams arī parastajā BPTI. Un tiešām, izdevās konstatēt, ka pat dabiskajā BPTI šāds process ir novērojams, tikai ar lielāku enerģētiskās barjeras starpību. Ja BPTI(C36S) minorais konformērs sastādīja ap ~20%, tad dabiskajā BPTI tas bija tikai ap 3%, un attiecīgi kļuva skaidrs, kāpēc agrāk, pirms mums tik ļoti izpētītajā BPTI, to neviens nebija konstatējis.

Trīs gadus ilgajā laika periodā, ko pavadīju Prof. K.Vītriha laboratorijā, izdevās publicēt 10 rakstus un 6 konferenču tēzes pasaules vadošajos žurnālos, ieskaitot ”Science”. Bet tas ir tikai formālais rezultāts. Tīri cilvēciskā ziņā ieguvu daudz vērtīgu atziņu.

Man kā padomju laikā formētam zinātniekam bija zināms pārsteigums, kad gandrīz katru nedēļu saņēmu lapiņas ar dažādu sapulču, apspriežu protokolu konspektiem. No sākuma likās, kādēļ tas viss man ir jāzina un jālasa, bet tad sapratu, ka tā ir demokrātijas būtība, ka katram ir tiesības zināt visu un pēc vajadzības izteikt savu viedokli. Varu tikai vēlēties, lai tā būtu vienmēr arī mūsu Latvijā.

Viens no lielākajiem ieguvumiem ir tas, ka radās dziļāks ieskats, kā strādā lielajā zinātnē, ka īstenībā tas ir ārkārtīgi grūts un smags darbs un ne katrs tam ir piemērots. Man nebija problēmu sastapt prof. K.Vītrihu laboratorijā svētdienā pulksten 7 no rīta vai arī vakarā 10, vai pat 11. Tā ir visa šo cilvēku dzīve. Uzdrošinos apgalvot, ka liela daļa mūsu padomju laikā augušo zinātnieku neizturētu šādu darba ritmu — varētu pat teikt ”darbaholismu”. Pārsteidzošs bija arī noskaņojums un lielā degsme, kas valdīja laboratorijā, — katrs vēlējās kaut ko uzlabot, palīdzēt, pielikt savu roku. Daļēji tas bija saistīts ar to, ka visi zināja, ka viņu nākotnes karjera lielā mērā atkarīga no tā, ko viņi paveiks un, galvenais, cik ātri paveiks. Tāpēc strādāts tika pēc vajadzības arī naktīs — neiedomājama lieta padomju vidusmēra speciālistam. Kā likums, laboratorija bija pilna cilvēku arī sestdienās un svētdienās. Te gan taisnības labad jāpiebilst, ka tie bija tikai zinātnieki, apkalpojošie ”nezinātniskie” darbinieki sestdienās un svētdienās nestrādāja. Tomēr arī viņi kontrolēja laboratorijas sistēmu, datoru utt. darbu caur savām personālajām datoru stacijām no mājām.

Vispār iepazinu citu ētisko sistēmu: ja kāds vienreiz ir samelojies, vai kā citādi negodīgs bijis, viņš var būt drošs, ka tas ies viņam līdzi uz visu mūžu. Nežēlīga, bet taisnīga sistēma. Iespējams, ka zemāki kritēriji pieļaujami kādā citā nozarē, tikai ne zinātnē. Vienmēr jārēķinās, ka tavus datus kāds neatkarīgi pārbaudīs vai arī tīšām atkārtos. Un vai tam, kura rezultāti būs neatkārtojami. Še varētu vēl norādīt, ka augstās prasības rada lielu psiholoģisko stresu un pat zināmu risku iegūt pozitīvus rezultātus par katru cenu, lai tevi neieskaitītu neveiksminiekos. Dažkārt tas beidzas pat traģiski.

Un beidzot, ir starpība arī vadīšanas stilā — nekur man nebija problēmu tikt pieņemtam un uzklausītam 10—15 minūšu laikā. Turpretī pie mums dažkārt nākas gaidīt pat vairākas stundas. Tas liecina, ka mūsu vadība pavāji organizē darbus un pārāk daudz uzņemas darīt vienpersonīgi. Piekrītu, ka nav viegli vadītājam ik pa brīdim pārtraukt savus darbus utt. Bet tikai tā var iegūt atgriezenisko saiti ar padotajiem.

Atsevišķu stāstījumu pelna arī neaizmirstamie ceļojumi un ekskursijas pa Alpu kalniem, pa Raiņa vietām uz Kastaņolu, ko veicām kopā ar ģimeni atvaļinājumos.