Роджер Тсиен (Роджер Цянь, , ; 1 февраля 1952 — 24 августа 2016) — американский химик китайского происхождения, профессор кафедры химии и биохимии Калифорнийского Университета в Сан-ДиегоRoger Y. Tsien at the University of California, San Diego . В 2008 году был удостоен Нобелевской премии по химии «за открытие и работу над зелёным флуоресцентным белком» совместно с двумя другими химиками.
Биография
Ранние годы Роджер Йончин Тсиен родился в Нью-Йорке 1 февраля 1952 года младшим из трех сыновей в семье Сюэчжу Тсиена, инженера-механика при Массачусетском Технологическом Институте, и медсестры Иин. Родословная его семьи связана с линией ученых-дворян из Ханчжоу, имеющей давние исторически документированные отношения с династией Сун. Более того, семья имела необычную судьбу, отражающую китайские исторические события во время и сразу после Второй мировой войны. Ее представители нередко делали карьеру на Западе, несмотря на неудачи и предрассудки. Так, Цянь Сюэсэнь, один из основателей Лаборатории реактивного движения при Калифорнийском технологическом институте, приходится двоюродным братом отцу Тсиена. Брат Тсиена, Ричард также является известным учёным в Стэнфорде. Роджер однажды сказал: «Я от рождения обречён на такую работу».
Отец Роджера владел небольшой торговой компанией в Нью-Йорке, а также занимался инженерным консалтингом в округе Уэстчестер. Затем отец перевез семью в Ливингстон, штат Нью-Джерси, когда Роджеру исполнилось восемь лет. Там отец работал над вакуумными трубками и нефтехимикатами в Радиокорпорации Америки и Esso Research and Engineering.
В детстве Тсиен страдал от астмы и поэтому много времени проводил в помещениях. Он проявлял необычайно высокие способности к научному познанию, которые затем развились в любовь к теоретической и практической химии. Это ожидаемо началось с интереса к обусловленному лигандами поведению хромофоров — окрашенным переходам ионов металлов, участвующим в широком диапазоне классических экспериментов неорганической химии, и наиболее ярко проявило себя в попытках синтезировать ацетилсалициловую кислоту, часто на заднем дворе, в домашней посуде и с импровизированными приборами. Первый наградной значок бойскаута Роджер получил за заслуги в области химии. Его записная книжка, в которую он, восьмилетний ребенок, записывал свои химические опыты, теперь хранится в Музее Нобеля в СтокгольмеHuang C. L.-H. Roger Yonchien Tsien. 1 February 1952 — 24 August 2016 // Biogr. Mems Fell. R. Soc., 2018, v. 65, p. 405—428..
Школьные годы Талант к химии и любовь к ней сохранились у молодого Роджера и в школьные годы. Он прошел летнюю исследовательскую программу в Университете Огайо в 1967 году при поддержке Национального научного фонда. Исследование было посвящено амбидентным свойствам тиоцианата (SCN-), возникающим из схожего распределения отрицательного заряда между нуклеофильными атомами серы и азота. Это симметричное распределение заряда предполагало возможность образования связи, соединяющей два или более иона металла через связывание атома N и S c металлами класса А и В, соответственно. Несмотря на то, что Роджеру эта работа не принесла удовольствия и даже раздражала его, исследование, тем не менее, было отмечено высшей наградой в 1968 году в рамках конкурса «Поиск талантов в науке от компании Westinghouse», когда ему было 16 лет.
Развитие научной карьеры Затем Роджер поступает в Гарвард, где его интерес к химии был прерван гуманитарным уклоном университета. В университете Тсиен встретился с Уолтером Гилбертом на курсах по молекулярной биологии, с Джеком Николсом, Дэвидом Хьюбелом (иностранный член Лондонского королевского общества, 1982) и Торстеном Визелем (иностранный член Лондонского королевского общества, 1982) на курсах по нейрофизиологии зрительных систем и с на лекциях по нейрофизиологии слуховых систем. Роджер вступил в общество Phi Beta Kappa по направлению химия и физика в 1972 году, закончив Гарвард summa cum laude (с отличием) с присуждением премии Детур (Detur Prize). Советы упомянутых выше преподавателей привели к тому, что Роджер успешно прошел конкурсный отбор на стипендию имени Маршала, покрывающую PhD-программу в Колледже Черчилля при Кембриджском университете, в физиологической лаборатории.
Руководитель его кембриджского PhD-проекта, профессор интересовался клеточной физиологией активации скелетных мышц; они с Тсиеном стали друзьями. Эдриан был больше заинтересован в том, чтобы дать студентам высокого интеллектуального и научного калибра шанс развить свои оригинальные стремления и независимость, чем в наборе подчиненных, усердно и беспрекословно работающих под руководством главного исследователя. Так было в целом заведено в физиологической лаборатории, основанной Хиллом в 1965 году.
В научном подходе Тсиен унаследовал от Эдриана приверженность лабораторной работе и близкие взаимоотношения с небольшим числом коллег, которые обладали исключительными качествами, в небольшой исследовательской группе. Руководитель и студент поддерживали друг друга: спустя годы после окончания обучения, Роджер поддерживал контакт со своим наставником до конца жизни последнего.
Студента не привлекали имеющиеся электрофизиологические методы (методы регистрации особенностей внеклеточного ответа в отдельных нейронах внутри огромной популяции центральной нервной системы), применяющиеся в работе, хотя бы из-за их откликов на простые сенсорные стимулы. Он вёл долгие беседы с Ричардом Эдрианом по поводу применения преобразований Лапласа и кабельной теории дендритов в анализе электрического тока в клетках, способных к возбуждению; первое впоследствии легло в основу определений эффективной ёмкости в распределенной сети мембранAdrian R. H., Almers W. Measurement of membrane capacity in skeletal muscle.// Nat. New Biol., 1973, v. 242, p. 62-64., а обсуждения кабельной теории дали рождение новым методам «voltage clamp» в применении к бесконечным кабелямAdrian, R. H., Marshall, M. W. Sodium currents in mammalian muscle // J. Physiol.,1977, v. 268, p. 223—250..
Роджер Тсиен близко общался с такими химиками, как Герри Смит, Йен Бэкстер и Джереми Сэндерс при Университетских химических лабораториях, а также с Арье Лью и Джоном Кимурой с коллегами из группы Дениса Хайдона при физиологической лаборатории. Таким образом, хотя Тсиен и не был экстравертом от природы, в университете он завёл много дружеских и профессиональных знакомств.
Последние годы и смерть В 2014 году у Тсиена случился инсульт. Он переехал вместе со своей женой, Вэнди Глоуб, из Сан-Диего в Юджин, штат Орегон. Спустя два года, в 2016 году, в возрасте 64 лет Тсиен скончался во время езды на велосипеде.
Научное наследие Роджера Тсиена Работы Тсиена были посвящены разработке различных методов измерения ключевых ионов и молекул в клеточной физиологии. Эти методы, в свою очередь, привели к созданию инструментов, которые позволили совершить важные явления в физиологии и расшифровать их механизмы уже при жизни учёного. Он также оставил после себя когорту выпускников и научных сотрудников.
Тсиен изучал широкий диапазон малых флуоресцентных молекул и флуоресцентных белков, которые привели к разработке важных методов прямой визуализации различных ключевых биохимических процессов внутри живой клетки и даже живых организмов. Эти вещества могут быть введены в клетку либо с помощью их способных к проникновению аналогов, либо путем их экспрессии напрямую в клетке с использованием молекулярно-биологических техник. Некоторые из них могут использоваться как индивидуальные флуоресцентные компоненты, некоторые — как взаимодействующие в паре (FRET). Это позволило применять их для изучения целого класса клеточных физиологических процессов, начиная от вопроса, включены ли гены, участвующие в этом процессе, переходя к изучению экспресии, транслокации и взаимодействия белков-участников, и заканчивая исследованием самих физиологических процессов, возникающих при взаимодействии белков.
Научные исследования
Аспирантура и дальнейшие исследования в Кембридже: биофизические методы слежения за физиологической активностью клетки Диссертация Тсиена, завершенная в 1977 году, «Дизайн и использование химических инструментов в клеточной физиологии», была отмечена престижной премией Геджа в области биологии в Кембридже, а также предложением вступления в программу Comyns Berkeley Research Fellowship при Колледже Gonville and Caius. В этот период Тсиен начал разработки химических, а затем и молекулярно-биологических индикаторов, которые можно ввести в клетку или экспрессировать в ней для изучения её физиологических процессов. Данная задача сначала сводилась к измерению концентрации внутриклеточного кальция, хотя последующие работы включали уже гораздо более широкий диапазон ионов и молекул. Этот интерес Тсиена к измерению кальция проявился в наиболее подходящий момент времени: к концу 1970-х ученое сообщество постепенно признавало роль кальция в цитозоле как ключевого вторичного посредника. Прояснение его модификации, предшествующей триггерной активации или регуляторной стадии, и контроль этого процесса за счет обмена между свободными и связанными цитозольными компартментами, внутриклеточными кальциевыми депо и внеклеточным пространством, занимали центральное место в понимании механизма регуляции клеточной активности.
Разработка электрохимического метода обнаружения и количественного определения ионов кальция Эта научная проблема возникла в процессе прямых измерений, проведённых с помощью электродов, способных проникать внутрь клетки, способной к возбуждению; такие измерения изначально применялись для определения мембранных потенциаловAdrian R. H. The effect of internal and external potassium concentration on the membrane potential of frog muscle. // J. Physiol., 1956, v. 133, p. 631—658.. Электроды, селективные к ионам натрия, калия, водорода и хлорид-иону, к тому времени были уже доступны и нашли широкое применениеThomas R. Ion-sensitive intracellular microelectrodes. New York, NY: Academic Press, 1978., однако использование кальций-селективных электродов было ограничено рядом трудностей. К электродам предъявлялось требование высокой селективности по отношению к ионам кальция на фоне других катионов, потенциально находящихся в системе, в том числе катионов магния, натрия и водорода, а также требование высокой стабильности системы с минимальным гистерезисом при изменении концентрации кальция. Тсиен разработал более Ca2+-селективные, нейтральные (в противоположность к применяющимся анионам — органическим фосфатам) лиганды в качестве сенсоровTsien R.Y., Rink T.J. Neutral carrier ion-selective microelectrodes for measurement of intracellular free calcium. // Biochim. Biophys. Acta Biomembr., 1980, v. 599, p. 623—638.. Более того, требовались электроды с достаточно малым диаметром кончика (около 0,4 микрон)Tsien R.Y. Liquid sensors for ion-selective microelectrodes. // Trends Neurosci., 1980, v. 3, p. 219—221. с тем, чтобы избежать повреждения клеток, что могло привести к артефакту — повышению локальной концентрации кальция. Однако необходимые для этого высокие сопротивления, связанные с электродом, порядка 20-30 и 60-120 ГОм в растворе с р(Ca2+) = 3 и требующиеся для использования кончика с диаметрами 1,5 или 0,5 мкм, в свою очередь, повлекли за собой создание адаптированных, сделанных на заказ электрометров с очень высоким входным импедансом и малыми стабильными токами смещения (меньше 10 фА) во избежание ложных сигналов.