Frederic Middlebrook Richards (19 de agosto de 1925 - 11 de enero de 2009), comúnmente conocido como Fred Richards , fue un bioquímico y biofísico estadounidense conocido por resolver la estructura cristalina pionera de la enzima ribonucleasa S en 1967 y por definir el concepto de superficie accesible al solvente . Contribuyó con muchos resultados experimentales y teóricos clave y desarrolló nuevos métodos, obteniendo más de 20.000 citas en revistas en varias áreas de investigación bastante distintas. Además de la cristalografía de proteínas y la bioquímica de la ribonucleasa S, estos incluyeron la accesibilidad al solvente y el empaquetamiento interno de las proteínas, la primera biblioteca de rotámeros de cadena lateral , la cristalografía de alta presión, nuevos tipos de etiquetas químicas como biotina / avidina , el índice de desplazamiento químico de resonancia magnética nuclear (RMN) y la caracterización estructural y biofísica de los efectos de las mutaciones .
Richards pasó toda su carrera de investigación académica en la Universidad de Yale , donde se convirtió en profesor Sterling de Biofísica Molecular y Bioquímica en el departamento que creó y dirigió, "uno de los principales centros del mundo para el estudio de la biofísica y la biología estructural". [4] Fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. y de la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias , y recibió muchos otros premios científicos. Se desempeñó como director del Fondo Conmemorativo Jane Coffin Childs para la Investigación Médica y fue elegido presidente tanto de la Sociedad Estadounidense de Bioquímica y Biología Molecular (ASBMB) como de la Sociedad Biofísica .
Richards nació el 19 de agosto de 1925 en la ciudad de Nueva York , hijo de George H. Richards y Marianna Middlebrook Richards. Ambos padres eran de antiguas familias de Nueva Inglaterra que se habían establecido en Fairfield y New London, Connecticut , en el siglo XVII. La familia solía pasar los veranos en Connecticut , lo que le dio a Richards una afinidad temprana por la zona que continuó durante su carrera en la Universidad de Yale . [6] Tenía dos hermanas mayores, Marianna y Sarah. Marianna se convirtió en bioquímica y fue un modelo a seguir importante para Fred, que se deleitaba con los olores y las explosiones que producían los equipos de química en esa época. [7] Asistió a la escuela secundaria en la Phillips Exeter Academy y más tarde recordó que "el excelente departamento de ciencias incluso permitía a ciertos estudiantes el funcionamiento sin supervisión de los laboratorios fuera del horario de clase. Esta actitud jugó un papel importante... en la consolidación de nuestro compromiso con las carreras científicas". [6] Allí aprendió soplado de vidrio y electrónica , e intentó medir la constante gravitacional universal utilizando balas de cañón de 100 libras. [6]
Con fuertes intereses científicos, Richards frustró las expectativas de su familia al elegir el MIT ( Instituto Tecnológico de Massachusetts ) en lugar de Yale para la universidad en 1943, especializándose en química. Su tiempo de estudiante universitario fue interrumpido por dos años en el ejército, que describió como "sin incidentes". [6] Luego se unió al departamento de Bioquímica de la Facultad de Medicina de Harvard y al laboratorio de Barbara Low. Ella había trabajado con Dorothy Crowfoot Hodgkin para resolver la estructura cristalina de rayos X de la penicilina , y más tarde estuvo activa en cristalografía de proteínas. El problema de la fase aún no se había resuelto para permitir la determinación de la estructura de la proteína, por lo que su tesis doctoral (completada en 1952) estudió la densidad y el contenido de disolvente en los cristales para ayudar a determinar pesos moleculares muy precisos para las proteínas. En 1954 fue al Laboratorio Carlsberg en Copenhague para realizar una investigación postdoctoral con Kaj Linderstrøm-Lang , donde comenzó su trabajo clásico sobre la enzima ribonucleasa. [7] También absorbió el estilo científico y de mentoría de Lang, a quien Richards llamó "un individuo encantador, lleno de diversión y bromas, así como de ciencia" que ejemplificaba "experimentos simples, económicos, ingeniosos y perspicaces". [8] En 1955, Richards se unió a la facultad de la Universidad de Yale, donde permaneció por el resto de su carrera.
Richards era un marinero entusiasta y ávido. Además de navegar en el estrecho de Long Island , viajó hacia el norte a lo largo de la costa canadiense, hacia el sur hasta las Bermudas e incluso cruzó el Atlántico varias veces con una pequeña tripulación de familiares y amigos. [4] [9] Él y su esposa tenían veleros (Hekla 1 y 2) y un barco utilitario con motor fueraborda conocido como "Sally's Baage" [10] (la ortografía presumiblemente es un comentario sobre su acento de Maine), que él mismo había construido. [9] Chris Anfinsen , amigo de Richards y su colega como editores de Advances in Protein Chemistry [9] y quien le recomendó el Laboratorio Carlsberg, [6] también era un ávido marinero, y a veces unían fuerzas. [9] Wendell Lim escribió que "Fred, un marinero dedicado desde la infancia, casi siempre se tomaba un mes libre cada verano para capitanear una importante excursión de navegación, y luego regresaba al laboratorio renovado y listo para trabajar. Sus aventuras de navegación incluyeron varios viajes transatlánticos. También era un ávido jugador de hockey sobre hielo ". [7]
Richards vivió en Guilford, Connecticut , una ciudad costera a unas 10 millas al este de New Haven , situada entre Metacomet Ridge y Long Island Sound. Fred se casó dos veces, con Heidi Clark Richards, hija del bioquímico Hans Clarke , [11] [12] y en 1959 con Sarah (Sally) Wheatland Richards, una bióloga marina. [10] Tuvo tres hijos: Sarah, Ruth y George, y cuatro nietos. [10] Su hija Sarah lo describió como "un científico y marinero de toda la vida... Sus principales amores eran su trabajo científico que terminó en la Universidad de Yale, navegar, trabajar en su tienda y ayudar en la comunidad". [11] Fred y Sally fueron una presencia importante en los esfuerzos locales de conservación de tierras, tanto en comités como en proyectos de trabajo en la tierra y el agua. [10] [13] Donó una propiedad costera de 41 acres a las Áreas Naturales del Museo Peabody de Yale, que describieron como "una de las pocas áreas de bosque natural que quedan en el estado". La propiedad ahora cuenta con protección a largo plazo para su uso en investigación biológica y geológica. [14]
El 2 de diciembre de 1957, en la Universidad de Yale, Richards realizó un experimento simple sobre la proteína Ribonucleasa A (RNasa A) que ayudó a cambiar la visión de la comunidad científica sobre la naturaleza física de las moléculas de proteína . [6] Usando una proteasa particular ( Subtilisina ), la RNasa A se convirtió en una proteína dividida ( RNasa S ), que se compone de dos partes llamadas péptido S y proteína S (Richards & Vithayathil 1959). Richards había desarrollado ese sistema de escisión como postdoctorado en el Laboratorio Carlsberg en Copenhague, Dinamarca, usando proteína ribonucleasa purificada que había sido donada a Christian Anfinsen por la Armour Company y que Anfinsen compartió con Richards y otros investigadores. [4] [8] Richards descubrió que, cuando se separaban, la proteína S y el péptido S no tenían actividad RNasa, pero que la actividad enzimática RNasa se restablecía cuando las partes se recombinaban en el tubo de ensayo. [15] En un artículo autobiográfico, Richards escribió que "este descubrimiento fue una sorpresa para la comunidad científica en ese momento... En retrospectiva, este puede haber sido el punto culminante de mi carrera en términos de entusiasmo". [6] Este experimento demostró que las proteínas mantienen un orden tridimensional y una unión estrecha entre sus partes interactuantes y que la información estructural es inherente a la proteína misma, lo que presagia tanto el trabajo posterior de Anfinsen que muestra que la secuencia determina la estructura [16] como también la idea de que las hormonas u otras moléculas pequeñas pueden unirse de manera estrecha y específica a las proteínas, [6] un concepto básico para la forma en que las compañías farmacéuticas diseñan medicamentos hoy en día. Dos años después, la estructura proteica de la mioglobina confirmó tales relaciones tridimensionales específicas. [17] Más tarde, con Marilyn Doscher y Flo Quiocho, Richards demostró que la ribonucleasa S, así como la carboxipeptidasa, eran enzimáticamente activas en los cristales, evidencia importante para silenciar las dudas de que las conformaciones de las proteínas en los cristales son directamente relevantes para su actividad biológica en las células. [7] [18] [19]
Junto con su colega Harold W. Wyckoff, que había trabajado en las primeras investigaciones sobre la estructura de la mioglobina, [20] Richards encabezó el esfuerzo por resolver la estructura tridimensional de la ARNasa S. Realizados en 1966 y publicados en 1967, los análisis de la ARNasa S [21] y la ARNasa A [22] hicieron que la ribonucleasa fuera la tercera estructura proteica distinta que se determinó por difracción de rayos X de cristales, después de la mioglobina / hemoglobina y la lisozima de huevo de gallina , [23] y la primera que se realizó en los Estados Unidos. Más tarde, el grupo de Yale recopiló más datos de difracción y en 1970 publicó la estructura de la ARNasa S con todo detalle a una resolución de 2,0 Å (Wyckoff et al., 1970). Las coordenadas de la ribonucleasa S se depositaron en el Banco de Datos de Proteínas internacional en 1973 como PDB : 1RNS , entre el primer conjunto pequeño de estructuras macromoleculares. [24]
El dibujo en blanco y negro de la cinta que se muestra arriba muestra la gran lámina beta retorcida (flechas) de la ribonucleasa, flanqueada por varias hélices alfa (espirales). La pieza más corta del péptido S se encuentra detrás, comenzando en la parte superior izquierda con una hélice y terminando con la rotura de la cadena (entre los residuos 20-21) en la parte inferior derecha. [5] El sitio activo para la escisión del ARN (en el surco en el centro al frente en este dibujo) involucra una cadena lateral de histidina del fragmento del péptido S y otra de la parte de la proteína S. [21] La imagen de computadora muestra estructuras superpuestas de la ribonucleasa S y A, con el péptido S en dorado y las histidinas del sitio activo en rosa fuerte. La coincidencia cercana de las estructuras 3D muestra que el sistema S de 2 fragmentos efectivamente se pliega a la forma activa (Wyckoff et al., 1970).
En 1968, mientras estaba en un año sabático con David Phillips en Oxford, Richards desarrolló un gran dispositivo comparador óptico llamado "caja de Richards" (o "Fred's Folly") que permitía a los cristalógrafos construir modelos físicos de estructuras de proteínas al observar las láminas apiladas de densidad electrónica a través de un espejo semiplateado (ver foto). [25] [26] Una vez que se construyó el Folly, construyó un modelo de latón de todos los átomos de RNasa S con bastante rapidez. [6] Este fue el método elegido para construir modelos cristalográficos de proteínas en densidad electrónica hasta fines de la década de 1970, cuando fue reemplazado por programas de gráficos de computadora molecular como Grip-75 [27] y luego Frodo. [28]
Richards mostró su sentido del humor en una revisión posterior de los avances en el uso y la construcción de las cajas Richards. [29] Aportó una "corrección a las citas bibliográficas originales", completa con diagramas, para una técnica teatral que utilizaba iluminación selectiva y una lámina de vidrio inclinada a 45° para dar la ilusión de la ninfa Anfítrite surgiendo del mar y flotando en el aire, o de un voluntario del público disolviéndose en un esqueleto y de vuelta a la normalidad. Richards terminó esa sección señalando que "si el autor hubiera sabido esta referencia en 1968, no habría sido necesaria una descripción adicional de la 'locura'". [29]
El interés científico más duradero de Richards fue el plegamiento y empaquetamiento de proteínas, estudiado tanto experimental como teóricamente, y principalmente desde una perspectiva geométrica. Como resume George Rose, "los plegadores de proteínas se pueden dividir en 'minimizadores' y 'empaquetadores'. Los primeros buscan minimizar la energía de interacción entre átomos o grupos de átomos, mientras que los segundos se concentran en la geometría probable, guiados tanto por las limitaciones de volumen excluidas como por los motivos estructurales observados en proteínas de estructura conocida". Fred fue una influencia fundadora para los empaquetadores, que se basaron en sus observaciones sobre la densidad de empaquetamiento, las áreas y los volúmenes. [9]
En 1971, junto con Byungkook Lee, Richards introdujo el concepto y una medida cuantitativa de la superficie accesible a solventes (SAS, por sus siglas en inglés) de los residuos de aminoácidos en las estructuras de proteínas plegadas (Lee y Richards, 1971). La superficie se construye trazando el centro de una bola imaginaria, cuyo radio es el de una molécula de agua (considerada como 1,4 Å), a medida que rueda sobre las superficies de van der Waals de las proteínas. Definida de esta manera, la superficie es continua y cada punto de ella está asociado inequívocamente con un átomo de proteína específico (el más cercano). La definición de Lee y Richards ha sido ampliamente adoptada como la medida estándar para la accesibilidad a solventes, por ejemplo, para evaluar la exposición por residuo como un porcentaje del área de superficie accesible frente al área de superficie total [30] , y como base del método de área de superficie enterrada para estimar la energía de los contactos proteína-proteína [31] .
Richards 1974 introdujo la construcción de poliedros de Voronoi a la química de proteínas, una contribución revisada más recientemente por Gerstein y Richards. [32] Este enfoque ha sido adoptado por muchos otros [33] [34] y se ha puesto sobre una base matemática firme gracias al trabajo de Herbert Edelsbrunner . [35] Con Jay Ponder en 1987, como parte de una exploración del uso del empaquetamiento interno de cadenas laterales para enumerar las posibles secuencias compatibles con una estructura de cadena principal de proteína dada (un presagio de la ingeniería y el diseño de proteínas), Richards desarrolló la primera biblioteca de rotámeros de cadena lateral . (Ponder y Richards 1987) Desde entonces, otros grupos de investigación han creado bibliotecas de rotámeros cada vez más detalladas, como la biblioteca de rotámeros dependiente de la cadena principal , algunas de las cuales se utilizan principalmente para la validación de la estructura [36] y otras para el modelado de homología o el diseño de proteínas . [37] Con Craig Kundrot, Richards investigó los efectos de la alta presión (1000 atmósferas ) en la estructura de las proteínas, utilizando cristales de lisozima de huevo de gallina , [38] encontrando que la estructura era robusta a tales presiones, aparte de una compactación bastante modesta en tamaño. En la década de 1990, Richards y colaboradores utilizaron una combinación de teoría y experimentación para investigar cómo el interior bien empaquetado de las proteínas puede, no obstante, acomodar mutaciones . [39] [40] [41]
En la década de 1970, con una sucesión de estudiantes y posdoctorados, el laboratorio desarrolló una serie de etiquetas químicas, [42] fotoquímicas , [43] y de enlaces cruzados para determinar la posición y las relaciones de las proteínas en las membranas biológicas (Peters y Richards 1977), incluido el glutaraldehído [44] y lo que fue uno de los dos primeros usos generales de la interacción excepcionalmente estrecha de la biotina con la avidina , [6] anclada a la ferritina para su uso en microscopía electrónica . [45] [46] [47] El sistema biotina-avidina se convirtió rápidamente en un método central en biología celular, inmunología e ingeniería de proteínas, así como en microscopía electrónica. [48]
Junto con David Wishart y Brian Sykes, desarrolló el índice de desplazamiento químico para la asignación de la estructura secundaria de las proteínas mediante RMN (Wishart, Sykes y Richards, 1991 y Wishart, Sykes y Richards, 1992). Esta herramienta todavía se considera una herramienta estándar en el campo de la RMN. [49] Por otra parte, alrededor de 1990, Homme Hellinga, junto con Richards, desarrolló herramientas computacionales para diseñar sitios de unión de metales en proteínas, [50] y las utilizó para construir un nuevo sitio de metal en la tiorredoxina . [51]
Richards es nombrado como depositante en 27 entradas de estructura cristalina en el Protein Data Bank , incluyendo la ahora obsoleta ribonucleasa S ( PDB : 1RNS ), la lisozima de huevo de gallina ( PDB : 2LYM ), los dominios SH3 ( PDB : 1SEM ), la alameticina formadora de canales iónicos ( PDB : 1AMT ) (Fox y Richards 1982), y mutantes de la ribonucleasa S (por ejemplo, PDB : 1RBD ; PDB : 1RBI ), de la nucleasa estafilocócica (por ejemplo, PDB : 1NUC ; PDB : 1A2T ) y del represor lambda en complejo con ADN ( PDB : 1LLI ).
El Departamento de Biofísica Molecular y Bioquímica ("MB&B") [52] que Richards fundó y presidió en Yale, que fusionó los departamentos de Bioquímica de la escuela de medicina y Biofísica Molecular de la universidad, fue considerado como "rápidamente ganado una estatura preeminente". [9] Muchos de esos profesores se convirtieron en miembros de la Academia Nacional de Ciencias , [4] [9] y Tom Steitz compartió el Premio Nobel en 2009 por las estructuras cristalinas del ribosoma. [53] Richards era conocido como un mentor y amigo muy valorado por estudiantes, profesores y colegas, incluyendo un enfoque de gran apoyo a las mujeres y los afroamericanos, según Norma Allewell, citada en un recuerdo de Jim Staros. [12] Su colega George D. Rose escribió que las conferencias de Richards eran perspicaces, presentadas con claridad y humor, y a menudo deliberadamente provocativas, y que Richards trabajaba para mejorar la comunidad científica en general. [9] Por ejemplo, a finales de los años 1980, fue el autor principal, y el primero de muchos firmantes, de una carta de amplia circulación que instaba con éxito a una política de depósito de coordenadas atómicas 3D en revistas científicas, en el NIH y en cristalógrafos individuales. [6] [54] También presionó, con menos éxito, para que se redujera la presión general de publicación pero se hiciera mayor hincapié en unos pocos artículos de primera clase, haciendo que los comités de promoción solo consideraran una lista de 12 artículos clave. [6]
Artículos con más de 500 citas según Web of Science al 18 de junio de 2012: [61]
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