ЭРНСТ, РИЧАРД

ЭРНСТ, РИЧАРД (Ernst, Richard) (р. 1933) (Швейцария). Нобелевская премия по химии, 1991.

Родился в 1933 в семье архитектора Роберта и Ирмы (Брюнер) Эрнстов в Винтертуре, в Швейцарии, где его предки жили с 15 в.

С детства был увлечен музыкой и химией. После окончания школы изучал химию в Федеральном технологическом институте в Цюрихе, однако был разочарован постановкой образования, и основным источником его знаний стали книги. После получения диплома и службы в армии вернулся в институт, чтобы выполнить диссертационную работу, связанную с конструкцией деталей спектрометров высокого разрешения для протонного магнитного резонанса.

Еще в 1950 швейцарец Феликс Блох и американец Э.М.Парселл независимо друг от друга обнаружили, что частота ядерного магнитного резонанса зависит не только от природы атомных ядер, но и от их химического окружения. Возник метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), который быстро стал мощным инструментом структурного анализа в руках химиков, а Блох и Парселл получили Нобелевскую премию по физике 1952. Быстро вскрылся и недостаток метода ЯМР – недостаточно высокая чувствительность, позволяющая работать только с концентрированными растворами и с не очень большими молекулами.

Защитив, диссертацию в 1962, Эрнст решил оставить университет и нашел работу во всемирно известной фирме по конструированию и производству ЯМР-спектрометров «Вариан Ассошиэйтс». Здесь он (вместе с американцем Вестоном Э.Андерсоном) открыл, что можно существенно увеличить чувствительность метода ЯМР высокого разрешения, заменяя медленную развертку по частоте короткими интенсивными радиочастотными импульсами. Эти импульсы вызывают излучение сигналов ядрами. Сигнал измеряется как функция времени после импульса. Эрнст открыл, что из такого сигнала можно извлечь необходимые резонансные частоты и превратить его в спектр ЯМР с помощью математической операции – Фурье-преобразования (ФТ, transforming – преобразование).

В 1964 Эрнст, по предложению Андерсона, проделал успешный эксперимент, который и привел к использованию Фурье-метода. Реакция на их изобретение была, однако, вялой – статья была дважды отклонена одним журналом («Journal of Chemical Physics»), прежде чем быть опубликованной в другом («Review of Scientific Instruments»). Руководство фирмы «Вариан ассошиэйтс» сопротивлялось созданию нового спектрометра. В результате компания «Брукер» впервые продемонстрировала в 1969 коммерческий экземпляр ЯМР-спектрометра с Фурье-преобразованием, хотя патент на это изобретение был у фирмы «Вариан».

Со временем открытие Эрнста стало основой современной ЯМР-спектроскопии, так называемого ФТ ЯМР метода. Метод ЯМР стал в десятки, а иногда и сотни раз более чувствительным. За время, необходимое для записи одного спектра, ФТ-эксперимент может быть повторен многократно, а суммарный результат обработан компьютером. Стало возможным работать как с низкими концентрациями веществ, так и с ядрами изотопов с малым содержанием в естественных образцах. Большое значение имели компьютеры, которые можно было присоединить прямо к спектрометрам. В 1966–1968 Эрнст с коллегами занимались разработкой многих способов применения компьютерной техники для автоматизации экспериментов и улучшения обработки данных.

Еще одно принципиально важное усовершенствование было разработано в 1960–1970-е – появление новых магнитов на основе сверхпроводящих материалов. Такие магниты создают более мощное и стабильное магнитное поле, что увеличило чувствительность и разрешающую способность метода ЯМР.

В 1968 после продолжительной поездки по Азии Эрнст вернулся в Швейцарию, где возглавил научную группу, занимающуюся методом ЯМР в лаборатории физической химии Федерального технологического института. В это время стало известно, что принцип двумерной спектроскопии ЯМР может быть применен для создания ЯМР-томографии. С этого момента многомерная ЯМР-спектроскопия стала быстро развиваться.

Следующее важное событие произошло в 1971, когда дипломник Эрнста Томас Бауман во время летной научной школы в Югославии услыхал сообщение профессора Жана Жене об использовании новой простой двухимпульсной последовательности, которая вызывает появление двумерного ЯМР-спектра. Сотрудник Эрнста Энрико Бартольди произвел первые расчеты, чтобы определить особенности экспериментов по двухмерной спектроскопии. Летом 1974 были предприняты первые эксперименты, доложенные на Международной конференции по магнитному резонансу в биологических системах в Кандерстеге в том же году. Так Эрнст с сотрудниками в 1975 разработали метод двухмерной ЯМР спектроскопии, который открыл совершенно новые перспективы. В это время стало известно, что принцип двумерной спектроскопии ЯМР может быть применен для создания ЯМР-томографии.

В последующие годы коллеги Эрнста внесли многочисленные изменения в базовую концепцию двумерной спектроскопии. Параллельно и другие исследовательские группы предлагали множество новых методов.

В 1976 Эрнст начал интенсивное сотрудничество, которое продолжалось в течение 10 лет, с профессором того же института К.Вютрихом. Вютрих и его группа внедрили существенные новшества, сделашие возможным определение трехмерной структуры биомолекул в растворе. Позднее он стал сотрудничать с профессором Артуром Швейгером, выдающимся новатором в области спектроскопии ЭПР.

Одновременно Эрнст (вместе с многочисленными коллегами из многих стран) разрабатывал исследовательскую программу по применению ЯМР-спектроскопии в твердом теле. Программа нашла применение в таких системах, как органические проводники, смеси полимеров, связанные водородной связью молекулы карбоновых кислот и др.

В 1991 научная деятельность Эрнста была отмечена Нобелевской премией «за вклад в развитие методологии спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения».

ЯМР-спектроскопия сегодня используется практически во всех областях химии, как в учебных и научных лабораториях, так и в промышленности. Типичные современные варианты ЯМР-исследования представляют собой набор нескольких типов одно- и двумерных (а иногда даже трех- и четырехмерных) спектральных характеристик изучаемого химического объекта, учитывая, что метод двумерной спектроскопии ЯМР был модифицирован в сотнях разновидностей. Собранная информация и служит источником для получения детальной картины структуры молекулы.

Таким способом, в частности, стало возможным расшифровать полную трехмерную пространственную структуру белков и других биологических макромолекул в растворах. Свидетельство этому – присуждение Нобелевской премии по химии 2002 К.Вютриху за приложение метода ЯМР к анализу структуры белков в растворах.

ЯМР метод позволяет изучать и межмолекулярные взаимодействия (фермент – субстрат, биологически активное вещество – рецептор и т.д.), что открывает широкие перспективы для супрамолекулярной химии.

В последние годы все больше времени у Эрнста отнимает административная работа в институте, президентом которого он стал.

Работы: ЯМР в одном и двух измерениях / Пер. с англ. М., 1990 (с Дж. Боденхаузеном, А. Вокауном).

Кирилл Зеленин