Рихард Эрнст: Инструментальщик современной химии

Где-то над Атлантикой в октябре 1991 года швейцарского химика пригласили в кабину пилотов авиалайнера и вручили радиограмму: он получил Нобелевскую премию по химии. Это была странно подходящая доставка для Рихарда Эрнста, человека, вся карьера которого состояла в создании инструментов, с помощью которых другие люди могли бы видеть. Он никогда не претендовал на большее. Он обезоруживающе называл себя «инструментальщиком», а не ученым, что сильно преуменьшало то, что стало возможным благодаря его инструментам.

Детство в Винтертуре и химикаты дяди

Эрнст родился 14 августа 1933 года в Винтертуре, Швейцария, в семье Роберта Эрнста и Ирмы Эрнст-Бруннер. Он вырос в доме, который его дед, торговец, построил в 1898 году — это была та самая прочная швейцарская преемственность, которая имеет тенденцию порождать либо конформистов, либо людей, которые тихо делают что-то странное на чердаке. Эрнст сделал последнее. В тринадцать лет он обнаружил коллекцию химикатов, оставленную покойным дядей, и начал работать с ней с большим энтузиазмом, чем осторожностью, вызывая взрывы, которые встревожили его родителей.

Другая страсть пришла раньше и никогда не уходила. Он играл на виолончели и одно время подумывал о карьере композитора. Эти два интереса были менее противоположными, чем кажется: оба являются упражнениями по разрешению сложных наложенных сигналов во что-то, что может прочитать ухо или глаз, и Эрнст провел свою профессиональную жизнь, делая именно это с частотами, испускаемыми атомными ядрами.

ETH Цюрих

Он получил диплом химика в ETH Цюрих в 1957 году, квалифицировавшись как Diplomierter Ingenieur Chemiker, и остался для получения докторской степени по физической химии, которую завершил в 1962 году. Диссертация была посвящена ядерному магнитному резонансу — явлению, при котором атомные ядра, помещенные в магнитное поле, поглощают и переизлучают радиоволны на частотах, которые выдают их химическое окружение. В принципе, ЯМР мог раскрыть структуру любой молекулы. На практике в 1962 году он был мучительно нечувствительным: образцы должны были быть большими, измерения медленными, а все разбавленное или сложное — то есть все биологическое — было недосягаемым.

Varian Associates и преобразование Фурье

В 1963 году Эрнст присоединился к Varian Associates в Калифорнии в качестве ученого и там произвел инновацию, которая изменила область. Обычный ЯМР медленно сканировал частоты по одной. Подход Эрнста заключался в том, чтобы ударить по образцу коротким импульсом, который возбуждал все частоты сразу, а затем использовать преобразование Фурье, чтобы разобрать полученную путаницу перекрывающихся сигналов в спектр. Прирост чувствительности был огромным. Эксперименты, которые были невозможны, стали рутинными; молекулы, которые были невидимы, потому что присутствовали только в следовых количествах, стали читаемыми. В Varian он также разработал методы развязки шума, еще один способ очистки переполненных спектров.

ЯМР с преобразованием Фурье — это причина, по которой химия сегодня может определить структуру неизвестного соединения за полдня, а не за сезон, и это прямой предок магнитно-резонансной томографии, технологии, которая превратила ту же физику в способ заглянуть внутрь живого человеческого тела, не разрезая его.

Второе измерение

Эрнст вернулся в ETH Цюрих в 1968 году в качестве лектора, стал доцентом в 1970 году, адъюнкт-профессором в 1972 году и в 1976 году — полным профессором физической химии. Он руководил Лабораторией физической химии и там разработал второе большое достижение своей карьеры: двумерный ЯМР, вместе с набором новых импульсных методов.

Если ЯМР с преобразованием Фурье сделал спектры быстрее, то двумерный ЯМР сделал их понятными. Распределив информацию по двум частотным осям, методы Эрнста распутали спектры, которые были безнадежно перегружены в одном измерении, и, что особенно важно, показали, какие ядра связаны с какими — то есть, какие атомы находились рядом с какими. Это структурная информация. Именно это позволило ЯМР перейти от малых молекул к белкам и нуклеиновым кислотам, и именно поэтому структурная биология сегодня имеет два великих метода, а не один.

Нобелевская премия и последующие награды

Нобелевская премия по химии 1991 года была присуждена только Эрнсту «за вклад в развитие методологии спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения» — необычно простая формулировка для необычайно значимого объема работы.

Остальное пришло по порядку: премия Марселя Бенуа в 1985 году, медаль Джона Гэмбла Кирквуда в 1989 году, а в год самой Нобелевской премии — премия Вольфа по химии и премия Луизы Гросс Хорвиц. Он получил медаль Тадеуша Рейхштейна в 2000 году и орден Звезды Румынии в 2004 году, а в 1993 году был избран иностранным членом Королевского общества. Он имел почетные докторские степени шести учреждений и принадлежал к Национальной академии наук США, Германской академии естествоиспытателей «Леопольдина», Российской академии наук, Корейской академии наук и технологий, Бангладешской академии наук, а с 2002 года — к Эстонской академии наук в качестве иностранного члена.

Тибетские свитки и выход на пенсию

Эрнст вышел на пенсию в 1998 году, но привычка инструментальщика не исчезла. Он был серьезным коллекционером тибетских свитков, и вместо того, чтобы пассивно ими любоваться, он направил на них свои собственные инструменты, анализируя пигменты, чтобы определить, откуда взялись краски и сколько лет свиткам. Музыка и искусство оставались противовесом лаборатории на протяжении всей его жизни.

Он женился на Магдалене Кильхольц, и у них было трое детей: Анна Магдалена, Катарина Элизабет и Ханс-Мартин Вальтер.

Винтертур, 2021

Рихард Эрнст скончался 4 июня 2021 года в Винтертуре, городе, где он родился, в возрасте восьмидесяти семи лет. Его инструменты пережили его на каждом химическом факультете и в каждом отделении радиологии больниц на земле — довольно большое наследие для человека, который настаивал на том, что он только делал инструменты.