——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
語音播報
1958年,胰島素化學(xué)結(jié)構(gòu)的解析工作獲得諾貝爾化學(xué)獎。《自然》發(fā)表評論文章說:合成胰島素將是遙遠(yuǎn)的事情。
可能是在同時,遙遠(yuǎn)的中國卻正式開啟了這個“遙遠(yuǎn)”的事情——人工合成胰島素。
幾年后,由中國科學(xué)院生化所、有機(jī)所以及北京大學(xué)精干技術(shù)力量組成的中國團(tuán)隊成功將“遙遠(yuǎn)”鎖定為7年。后來的《科學(xué)》雜志登載了題為《紅色中國的胰島素全人工合成》的數(shù)頁長評。
國際學(xué)界認(rèn)為的遙遠(yuǎn)究竟有多遠(yuǎn)?一個完整的胰島素分子由51個氨基酸組成,可以理解為51塊“拼圖”,但與實體拼圖不同的是,每一塊和另一塊都可能由于化學(xué)鍵的“相互吸引”而結(jié)合,進(jìn)而產(chǎn)生無限可能。研究者一面要“攔”著錯的結(jié)合,同時還要探索促成對的結(jié)合的最佳條件。此外,對于化學(xué)合成多肽來說,“51”在彼時是個天文數(shù)字。
重重困難讓這個“遙遠(yuǎn)”遙不可及,然而,中國用7年的堅持不懈,通過人工合成胰島素登頂化學(xué)合成之巔。
蹚出一條“A、B”路
這是一條被國外科學(xué)家從理論上證明不可能走通的路?!耙葝u素是一個蛋白質(zhì),不僅分子量大而且結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,分子中含有三對雙硫(-S-S-)鍵。胰島素合成涉及有機(jī)合成、化學(xué)與生物分析、生物活性等方面。其工作量之大、難度之高是生物化學(xué)與有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域中前所未有的。”參與人工合成胰島素研究工作的北京大學(xué)教授葉蘊(yùn)華說。
胰島素的一級結(jié)構(gòu)分子式看起來像個兩層的“衣架”,最上面的提手是一個雙硫鍵,上層鏈(A鏈)和下層鏈(B鏈)由兩個雙硫鍵連接。
美國化學(xué)家考斯曼曾從相對概率的角度計算過,如果以A、B鏈為元件進(jìn)行合成,A鏈與B鏈不僅可以A1B1的方式結(jié)合,而且可以AnBm等各種可能的方式結(jié)合,這使得A鏈與B鏈“隨機(jī)碰撞”后有無限多種可能,相應(yīng)地其中正確胰島素結(jié)構(gòu)的可能性就微乎其微。這樣的證明以及其他嘗試者的失敗使得西方學(xué)界對于合成胰島素持悲觀的態(tài)度。
悲觀者往往正確,樂觀者卻往往成功。
中國團(tuán)隊的樂觀不是無源之水。葉蘊(yùn)華回憶:1959年初上海生化所鄒承魯課題組的杜雨蒼、張友尚等開始探索天然胰島素的拆分與重組合。他們的拆、合研究經(jīng)歷了多次失敗后,于1959年3月出現(xiàn)了好的苗頭:重新氧化拆開后的胰島素A、B鏈的混合物能表現(xiàn)出天然胰島素0.7%—1%的活力。
事實勝于雄辯?;旌衔锏幕盍φ急冗h(yuǎn)比概率分析的高很多。通過在適當(dāng)條件下氧化被還原的A鏈和B鏈,生物活力的恢復(fù)可達(dá)50%。在1961年發(fā)表的相關(guān)論文中,研究人員明確指出,“充分芐基化了的胰島素衍生物能恢復(fù)活力這一事實,說明可以通過人工合成的A鏈與B鏈最后合成胰島素”。
“從當(dāng)時的國際學(xué)術(shù)環(huán)境看,雖然由于上世紀(jì)50年代的代表性工作使蛋白質(zhì)合成成為當(dāng)時世界生物化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,但有關(guān)探索性工作還僅限于少數(shù)人在開展。人工合成蛋白質(zhì)研究尚處在起步階段?!敝袊茖W(xué)院上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所所長劉小龍表示,胰島素的合成不僅是開創(chuàng)性工作,還是逆勢而為的開創(chuàng)性工作。
活性!活性!活性!
1965年9月17日,上海市岳陽路320號牽動著參與這一研發(fā)工作的所有人的心,但能進(jìn)入現(xiàn)場的卻只有少數(shù)幾人。
“施溥濤代表北大,張偉君代表有機(jī)所與生化所杜雨蒼等少數(shù)人進(jìn)行實驗,其他人只能在實驗室外面等待結(jié)果?!比~蘊(yùn)華仍然記得不能進(jìn)入現(xiàn)場時的焦急心情。
終于,杜雨蒼走出了實驗室,手中捧著晶瑩透明的人工全合成牛胰島素結(jié)晶。一張經(jīng)典的照片記錄了合成成功的情景,小白鼠在注射天然胰島素和人工合成胰島素后均發(fā)生驚厥,研究人員記錄它們的驚厥時間和狀態(tài),小鼠的驚厥證明了人工合成胰島素?fù)碛刑烊灰葝u素的活性。
經(jīng)過一系列的檢測,最終證明,中國團(tuán)隊在世界上第一次人工全合成了與天然胰島素分子化學(xué)結(jié)構(gòu)相同并具有完整生物活性的蛋白質(zhì),且生物活性達(dá)到天然胰島素的80%。
“胰島素合成是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它是由51個氨基酸通過200多步化學(xué)反應(yīng)而合成的具有生物活力的蛋白質(zhì)。合成中每一個步驟都會影響最后的成敗,因此對每一步反應(yīng)都必須嚴(yán)格把關(guān)。每一步的產(chǎn)物均經(jīng)過嚴(yán)格鑒定合格后才能開啟下一步?!比~蘊(yùn)華說。
活性取決于每個分子基團(tuán)的狀態(tài)和位置,因此人工合成的每一步都是在對分子基團(tuán)進(jìn)行操作,其對精準(zhǔn)度的要求可想而知,外界條件、溶液濃度等都不能差池半分,任何一步都決定之后的“活性”。
在沒有高精度儀器輔助的情況下,在沒有質(zhì)譜、核磁共振等現(xiàn)代光譜分析手段作為“敏銳的眼睛”判斷正誤的情況下,一切都依靠科研人員的大國工匠精神?!安AУ喂茴^拉得比發(fā)絲還細(xì),以便精細(xì)調(diào)節(jié)溶液的pH值。”葉蘊(yùn)華對一次合成A鏈時的實驗操作記憶猶新,“粗調(diào)”后的“細(xì)調(diào)”是根據(jù)精細(xì)pH試紙的顏色,現(xiàn)場討論是否要再多加一滴堿或一滴酸,項目組帶頭人汪猷親臨現(xiàn)場指導(dǎo)。
“在合成過程中,制備的大多數(shù)肽段均使用兩種或兩種以上不同的路線或方法,得到小肽后的分析數(shù)據(jù)的理論值雖然事先都經(jīng)過仔細(xì)的計算,但是結(jié)果出來后,汪猷先生還要親自再用計算尺(當(dāng)時尚無計算器)復(fù)審。”葉蘊(yùn)華說。
“一步出錯即滿盤皆輸?!眲⑿↓堄米罹?dāng)?shù)脑捳Z總結(jié)出這一研究的艱難險阻。
這絕非單純的研究興趣使然,也非一味追逐科學(xué)發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)所致。1961年,時任國務(wù)院副總理的聶榮臻到生化所視察時表態(tài):“你們做,再大的責(zé)任我們承擔(dān),人工合成胰島素100年也要搞下去?!?/p>
“強(qiáng)烈的民族責(zé)任心、高度的國家使命感無疑是驅(qū)使科研人員敢于作為、勇于創(chuàng)新、不懼困難,立志為國爭光的強(qiáng)大精神動力?!眲⑿↓堈f,“正是將國家利益置于首位,勇于為國擔(dān)當(dāng),才使科研人員能夠以超乎尋常的膽識做大我國科技事業(yè)發(fā)展的格局?!?/p>
提到人工合成胰島素,國人總是糾結(jié)于它未曾得到諾獎?wù)J可。“不搞上海的胰島素,不搞北京的胰島素,一心一意搞出中國的胰島素”,這句擲地有聲的話語及其被強(qiáng)有力的執(zhí)行說明了一切??梢哉f,人工合成胰島素是一個諾獎難以詮釋的協(xié)作成果。
?。ㄔd于《科技日報》 2019-09-16 01版)
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