高场强，大影响：佛罗伦萨大学磁共振中心通过NMR协作推进新冠病毒蛋白质的研究

Lucia Banci教授的学术历程可以概述为两个方面的革新——所使用的NMR仪器能力的革新，以及所研究的分子系统规模的演变。例如，她现在使用的1.2 GHz系统与在20世纪70年代首次使用的60 MHz仪器截然不同；她近期围绕30-40 kDa蛋白质的结构和相互作用展开的工作，在过去只能对小而简单的分子和复合物进行研究的年代更是无法想象的。

金属离子在生物化学中的重要作用

在过去45年，Banci教授的大部分研究都集中在一个主题上——金属离子。她坚信，必须深入了解金属离子，才能在生命科学的许多领域取得进展。正如她所说的那样：“超过三分之一的蛋白质需要通过金属离子来发挥作用，并且是许多生物过程的核心。金属离子的运输受到严格的控制，而且通常由蛋白质之间微弱的、瞬间的相互作用介导。”这一信念源于她长久以来对该领域的关注——从确定顺磁性金属蛋白的溶液结构¹（在当时被认为是不可能的）的第一人，到为含金属蛋白质设计分子动力学方法²和揭示细胞色素C氧化酶中铜转移的细节³。

这一切都要依托Banci教授的无机化学背景——最初她是使用电子顺磁共振（EPR）技术来研究金属离子及其配合物的磁性的。然而，没过多久，她就发现了NMR的强大力量和多功能性：“在研究早期，如果你想以原子级分辨率来测定结构，传统的方法是使用X射线晶体技术。但这需要晶体，对此，NMR似乎更为通用，同时新兴的实验技术为测定溶液中的复杂结构提供了可能性。”

Lucia Banci教授是佛罗伦萨大学的化学系教授，也是磁共振中心（CERM）的创始人之一兼主任。她还是综合结构生物学研究基础设施联盟（Instruct-ERIC）意大利核心中心的负责人兼Instruct-ERIC执行委员会和理事会的成员。

她早期的认识被证明是正确的，这预示着NMR实验方法的发展及其在今天所带来的详细洞见。简单的小分子研究是Banci教授早期研究的基石，从那时起，她看到了许多激动人心的应用——并且在许多情况下做出了贡献。其中包括使用NMR来表征药物、金属蛋白、疫苗、新材料、RNA和固态材料，以及了解大型复合物如何相互作用，以及蛋白质如何折叠、成熟和吸收金属。

她表示：“即使只是在生物领域，NMR也应用广泛。我们可以研究柔性的、移动的、交互的系统，以及活细胞中的分子——对我而言，这是一个特别的突破”⁴。使用后一种方法，可以在活的人体细胞中研究单个蛋白质或蛋白质复合物，Banci教授在该领域的发展方面，发挥了重要作用，特别是直接在人体细胞中通过对蛋白质进行有效表达和标记，从而在产生人类蛋白质的人体细胞中表征人类蛋白质。从金属离子的吸收及其在病理条件下发生的损伤，到测定蛋白质氧化还原状态的因素和蛋白质折叠的过程，这种方法允许对多个过程进行描述和合理化。

正如Banci教授所说：“细胞内NMR架起了两个领域之间的桥梁。生物学研究保持了细胞环境，但缺乏原子级的信息，而传统的结构表征提供了有关分子结构的细节，但却缺乏生物学背景。细胞内NMR的特殊之处在于，它能使我们获得自然环境中生物分子的详细结构信息。这在药物研发的早期阶段大有裨益，特别是对于筛选⁵而言。例如，我们可以了解蛋白质如何与药物结合，或者研究为何蛋白质可能会优先结合某一种药物而非另一种。”

这台位于CERM的1.2 GHz波谱仪是Covid-19 NMR项目的一员，其主要应用之一就是发现SARS-CoV-2病毒中所含的蛋白质结构的更多信息。这是一个由来自世界各地的50多个研究小组组成的联盟，旨在利用NMR波谱技术对SARS-CoV-2的RNA和蛋白质进行表征，并以此协助开发Covid-19的治疗药物。

该联盟由德国法兰克福歌德大学的Harald Schwalbe教授领导，Banci教授与他已认识多年：“疫情开始时，我马上想到了NMR在解决与病毒有关的几个研究领域的潜力。我和Harald很熟，经过一番讨论，我们一致认为，通过建立一个联盟来利用NMR解决这些问题，将收获颇丰。”

她解释道，通过该联盟，他们能够为蛋白质和RNA结构测定的各个步骤制定有效的方法——包括生产、标记、NMR数据采集和归属。她表示：“得益于此，我们现在有了一个流程，可以在短短两周内解决有关新变体的问题，这对我们来说是一个重大成果。此外，利用布鲁克的1.2 GHz系统，我们现在正在详细地表征SARS-CoV-2蛋白^6,7，并研究天然配体和现有药物的作用，了解它们能否阻止病毒的进展。”

在联盟内开展这项工作的速度比以往要快得多，她解释道：“通过交流材料、实验方案和结果，以及通过研究如何充分利用我们的专业知识和仪器，我们得以协同工作。这是一种高效省时的获得结果的方式。”

Banci教授认为，成功的关键在于数据管理。“为了应对类似新冠病毒提出的、迫切的研究问题，我们需要迅速做出反应，这意味着，我们需要快速地将数据提供给其他研究人员。但与此同时，我们还必须正确管理和归档数据——如果缺少组织性和可检索性，即使是正确的数据，也毫无用处。NMR尤为如此，这是因为生物分子研究产生了非常大的数据集——在我看来，这是科学界普遍需要仔细考虑的一个方面。为了快速地增进知识，我们需要使用高效的系统，来管理科学数据，并分享给需要它的人。”

1. Banci L et al. The three-dimensional structure in solution of the paramagnetic protein high-potential iron-sulfur protein I from Ectothiorhodospira halophila through nuclear magnetic resonance, Eur J Biochem, 1994; 225: 715-725.
2. Banci L, et al. Mitochondrial copper(I) transfer from Cox17 to Sco1 is coupled to electron transfer, Proc Natl Acad Sci USA, 2008; 105: 6803-6808.
3. Banci L, et al. Molecular dynamics of metallo proteins, In: Molecular Modelling and Dynamics of Bioinorganic Systems, Dordrecht, The Netherlands: Kluwer academic publishers, 1997.
4. Banci L, et al. Atomic-resolution monitoring of protein maturation in live human cells by NMR, Nat Chem Biol, 2013; 9: 297-299.
5. Luchinat E, et al. Drug screening in human cells by NMR allows early assessment of drug potency, Angew. Chem. Int. Ed., 2020; 59, 6535 –6539.
6. Cantini F, et al. 1H, 13C, and 15N backbone chemical shift assignments of the apo and the ADP-ribose bound forms of the macrodomain of SARS-CoV-2 non-structural protein 3b. Biomol NMR Assign, 2020; 14: 339–346.
7. Gallo A, et al. 1H, 13C and 15N chemical shift assignments of the SUD domains of SARS-CoV-2 non-structural protein 3c: “The SUD-M and SUD-C domains”, Biomolecular NMR Assignments, 2021; 15: 165–171.

磁共振中心（CERM）是佛罗伦萨大学的一个研究、知识转移和高等教育中心，位于Sesto Fiorentino的Polo Scientifico（科学校区）。该中心是由欧盟委员会、意大利大学和研究部以及托斯卡纳地区政府支持的生命科学领域核磁共振研究基础设施。CERM是ESFRI标志性研究基础设施Instruct-ERIC的意大利中心。CERM与大学间金属蛋白磁共振联盟（CIRMMP）共享其基础设施，占地面积为3000平方米，拥有一些实验室、办公室和公共房间。该中心的旗舰产品是令人印象深刻的核磁共振波谱仪，它具有世界上最大的磁场范围（1.2 GHz），并使其成为世界上装备最好的实验室之一。

如需了解更多关于CERM的相关信息，请访问https://www.cerm.unifi.it/.