新中國科技名片：人工全合成結(jié)晶牛胰島素
佘惠敏
人工全合成牛胰島素結(jié)晶圖
1966年12月24日《人民日報》的報道
人工全合成牛胰島素動物試驗(yàn)獲得成功的場面，右2杜雨蒼，右3龔岳亭
在新中國最艱苦的時期，有那么一群人，他們肩負(fù)著國家“60年代第一大任務(wù)”601機(jī)密研究計劃，周恩來、聶榮臻曾多次親自過問他們的研究，他們創(chuàng)造了新中國成立后第一個震驚世界的基礎(chǔ)科研成果，被視作“試管中制造生命”，他們就是半世紀(jì)前那張閃耀世界的新中國科技名片——人工全合成結(jié)晶牛胰島素團(tuán)隊(duì)。
53年前，他們邁出了人類在探索生命奧秘征途中最關(guān)鍵一步。
今天，讓我們閱讀他們的故事，感受老一輩科學(xué)家弦歌不輟，薪火相傳的魅力。
1.三角瓶里的娃娃
胰島素是治療糖尿病的特效藥。但在58年前，它除了藥物身份，還是一顆“衛(wèi)星”。
1958年，上海。
那一年開始的“大躍進(jìn)”運(yùn)動，不僅沖擊了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也影響了科研立項(xiàng)，不少科技人員提出了目標(biāo)宏大的“科學(xué)衛(wèi)星”，許多都失敗了，少數(shù)獲得成功，中科院上海生物化學(xué)研究所提出的這項(xiàng)課題是其中之一。
6月夏日，王應(yīng)睞、鄒承魯、曹天欽、沈昭文、鈕經(jīng)義等教授參加的討論會上，一個個課題因?yàn)椴粔?ldquo;躍進(jìn)”被否決，突然有人喊：“合成一個蛋白質(zhì)！”
一室皆靜，一錘定音。
誰最先喊出這句話已不可考，但這個選題確實(shí)獲得熱烈響應(yīng)。原因有二：
一是目標(biāo)夠宏偉。蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，合成蛋白質(zhì)就是在合成生命的道路上前進(jìn)了一大步，在當(dāng)時是驚人的科學(xué)壯舉。
二因有科學(xué)基礎(chǔ)。合成蛋白質(zhì)其實(shí)就是合成胰島素，因?yàn)橐葝u素是最小的蛋白質(zhì)分子，也是當(dāng)時唯一已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。
在當(dāng)年的上?？普股?，這個“制造生命”的選題被畫成漫畫，形象是“站在三角瓶里的小娃娃”，周恩來總理為之駐足垂詢。人工合成胰島素項(xiàng)目很快被列入國家科研計劃。
麻雀雖小，五臟俱全。雖是最小蛋白質(zhì)分子，胰島素也包含51個氨基酸，而當(dāng)時國際上最長只能合成13個氨基酸的多肽鏈。
這是個艱巨的課題，一幫原本連多肽合成都沒做過的中青年科學(xué)家，帶領(lǐng)更年輕的助手和學(xué)生，傾力協(xié)作，要合成一個蛋白質(zhì)。
“其他單位，如北京大學(xué)等，知道生化所準(zhǔn)備合成胰島素，也都想?yún)⒓印?rdquo;原生化所所長王應(yīng)睞在回憶文章里說，“牛胰島素的人工合成，是生物化學(xué)研究所、有機(jī)化學(xué)研究所、北京大學(xué)等單位并肩奮戰(zhàn)的結(jié)果”。
“我當(dāng)時是小兵，那時專家也不老，都三十幾歲。”陳常慶參加這個課題時才24歲，他給記者講了“8肽跳樓”的故事。當(dāng)時有位女見習(xí)員在三樓窗口搖反應(yīng)瓶，因疲勞過度不慎將瓶摔落，瓶中來之不易的8肽合成物就此完蛋，她急哭了，領(lǐng)導(dǎo)卻沒批評，反勸她注意休息。“搞科研要放手讓年輕人做，但年輕人闖禍了誰來承擔(dān)？領(lǐng)導(dǎo)承擔(dān)。”
這是個缺乏工業(yè)基礎(chǔ)的研究，做面包沒有面粉，要從種麥子開始。
“當(dāng)時我們連氨基酸都沒有，要從氨基酸生產(chǎn)著手。”記者采訪時，葛麟俊已是白發(fā)蒼蒼的老人，但她參加這個課題時，還是生化所一名28歲的青年研究員。她清晰地記得，當(dāng)時輾轉(zhuǎn)進(jìn)口的氨基酸很貴，1克要100多元。
合成胰島素需要17種高純度氨基酸，當(dāng)時國內(nèi)只能生產(chǎn)純度不高的3種氨基酸。為此生化所于1958年底組建了東風(fēng)生化試劑廠。據(jù)創(chuàng)建者之一的陳遠(yuǎn)聰回憶，用搪瓷桶、鐵鍋等簡單工具白手起家的東風(fēng)廠，后來可生產(chǎn)包括氨基酸在內(nèi)的各種生化試劑供全國科研之需，“文革”前甚至每年向中科院院部上繳利潤200萬至300萬元，效益一度非常好。
2.蛋白質(zhì)會自己疊
還是在1958年，諾貝爾化學(xué)獎頒給了3年前闡明胰島素氨基酸排列順序的英國化學(xué)家桑格。但學(xué)術(shù)期刊《自然》報道此事時說：“合成胰島素還很遙遠(yuǎn)。”
這與蛋白質(zhì)分子的復(fù)雜結(jié)構(gòu)有關(guān)。胰島素有兩條肽鏈，21個氨基酸組成A鏈，30個氨基酸組成B鏈；有3對二硫鍵，A、B鏈通過2對二硫鍵連接成雙鏈的蛋白質(zhì)單體分子，A鏈自身還有一對二硫鍵。
桑格闡明的只是胰島素的一級結(jié)構(gòu)單元氨基酸，但它們可螺旋、可轉(zhuǎn)角、可伸展，有無數(shù)種組合折疊方式，而如果不是天然胰島素的那一種，蛋白質(zhì)就會變性，失去生物活性。
組合有無數(shù)種，正確答案僅一個。怎么才能把蛋白質(zhì)給疊對了？
國際上，科學(xué)家們已嘗試把天然胰島素先拆成A、B鏈再重組，但無一成功，重組后的胰島素幾乎沒有活性。
這個僵局被中國人打破了。
1959年1月，胰島素人工合成工作正式啟動。生化所建立了以副所長曹天欽為組長的五人領(lǐng)導(dǎo)小組，決定“五路進(jìn)軍、智取胰島”：鈕經(jīng)義負(fù)責(zé)有機(jī)合成，鄒承魯負(fù)責(zé)天然胰島素拆合，曹天欽負(fù)責(zé)肽庫，沈昭文負(fù)責(zé)酶激活和轉(zhuǎn)肽。
在后繼研究中，后三路被放棄，工作重點(diǎn)集中到前兩路上。
天然胰島素拆合最先獲得重大突破。在鄒承魯?shù)闹笇?dǎo)下，杜雨蒼、張友尚、許根俊、魯子賢等努力奮戰(zhàn)，幾經(jīng)波折，才找到天然胰島素拆合的正確方法。
胰島素分子要先經(jīng)過還原、分離、純化，變成分開的A鏈和B鏈，然后通過氧化反應(yīng)重組再生。他們嘗試了各種方法，有書面記錄的實(shí)驗(yàn)就進(jìn)行了98次，發(fā)現(xiàn)一個出乎意料的結(jié)果：胰島素吃軟不吃硬，用強(qiáng)氧化劑迅速氧化會導(dǎo)致失敗，溫和方法效果更佳。
“為了氧化被還原的肽段，我們歷經(jīng)艱辛，最終發(fā)現(xiàn)了不使用氧化劑而使氧化反應(yīng)在低溫下由空氣緩慢完成的方法。”鄒承魯在文章中說，這種方法讓胰島素獲得10%的活力恢復(fù)，大大超過了隨機(jī)配對可能得到的產(chǎn)率。
這是1959年秋天的發(fā)現(xiàn)。隨后幾個月，他們繼續(xù)進(jìn)行了100多次優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，1960年初將胰島素重組合產(chǎn)物的活力提高到50%，產(chǎn)物純化后可以結(jié)晶，結(jié)晶形狀與天然胰島素相同。
這意味著一個理論認(rèn)知上的重大突破：“我們的結(jié)果暗示著胰島素的天然結(jié)構(gòu)是其所有可能結(jié)構(gòu)中最穩(wěn)定的一個。”也就是說，蛋白質(zhì)會自己疊！令人望而生畏的“折疊”問題解決了。
遺憾的是，基于保密要求，鄒、杜等人沒能及時發(fā)表此成果，1961年8月才發(fā)表中文論文。而1961年5月，美國科學(xué)家安芬森發(fā)表了他從一項(xiàng)相對簡單的工作（單鏈核糖核酸酶的拆合）中得出的相似結(jié)論：“蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)決定其高級結(jié)構(gòu)”。安芬森因此獲得1972年諾貝爾化學(xué)獎。
3.鎖定牛胰島素
天然胰島素的拆合成功，為后繼研究指明了方向。既然天然胰島素AB鏈拆開后可以正確地重結(jié)晶恢復(fù)活性，那么人工的應(yīng)該也可以?，F(xiàn)在，問題的關(guān)鍵變成了：能否人工合成有活性的A肽鏈和B肽鏈？
這個問題的難度一開始被輕視了。天然胰島素拆合成功，讓部分領(lǐng)導(dǎo)和科技人員認(rèn)為“胰島素合成的關(guān)鍵問題已經(jīng)解決”，再加上當(dāng)時政治運(yùn)動的推波助瀾，人工合成胰島素在多個單位一哄而上，“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”開始。
然而事情并沒有人們想象的那么簡單，各個單位的大兵團(tuán)作戰(zhàn)相繼失敗，總是無法合成具有生命活力、能讓小白鼠起驚跳反應(yīng)的人工胰島素。
自然界中，吹盡狂沙始到金?？蒲惺飞弦踩绱?。一哄而上的熱潮退去了：合成胰島素的實(shí)驗(yàn)不斷重復(fù)失敗，國民經(jīng)濟(jì)又進(jìn)入困難時期，大部分人對課題失望，甚至建議下馬，只有少數(shù)人堅持了下來。
在北京大學(xué)，胰島素項(xiàng)目一度停頓了半年多無人問津。半年后邢其毅想要繼續(xù)搞項(xiàng)目時發(fā)現(xiàn)愿意參加的人數(shù)銳減，最少時只有李崇熙、陸德培兩位青年教師堅持實(shí)驗(yàn)。
在有機(jī)所，所長汪猷在胰島素項(xiàng)目大熱時原本不同意湊熱鬧，只是迫于形勢而參戰(zhàn)。但在1961年胰島素由熱變冷、甚至有同志講俏皮話要“把生化所的項(xiàng)目敲鑼打鼓還給他們”時，汪猷卻不同意鳴金收兵，而是帶著自己的幾個研究生堅持做下去。不輕易上馬，也不輕易下馬，這是老一輩科學(xué)家的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度。
在生化所，鈕經(jīng)義領(lǐng)導(dǎo)的B鏈組，鄒承魯領(lǐng)導(dǎo)的拆合組都被保留，但將隊(duì)伍精減成近20人。
項(xiàng)目堅持下去，還與國家的支持和重視有關(guān)。當(dāng)時主管我國科技工作的副總理聶榮臻元帥堅決不同意項(xiàng)目下馬，1961年春到生化所視察時還明確表示：“人工合成胰島素100年我們也要搞下去。”“你們做，再大的責(zé)任我們承擔(dān)，不打你們的屁股。”
總之，在胰島素由極熱變極冷的1961年，生化所、有機(jī)所、北大這三個單位的精兵小組，都在各自默默地耕耘。
從制備保護(hù)基和縮合劑及其性能分析、建立氨基酸和肽段的縮合方法，到不同氨基酸的特異性保護(hù)、不同肽段的縮合方式和縮合方向……接下來的兩三年里，經(jīng)過無數(shù)次實(shí)驗(yàn)，胰島素A、B肽鏈有機(jī)合成技術(shù)路線趨向成熟，三個單位都做出一系列成果。
1963年8月，全國經(jīng)濟(jì)形勢好轉(zhuǎn)后，在青島舉行了一次天然有機(jī)化學(xué)學(xué)術(shù)會議。會上，三個單位的代表各自匯報，驚奇地發(fā)現(xiàn)對方也在繼續(xù)胰島素研究。當(dāng)然，這不約而同里還是有一點(diǎn)小小不同：中科院在合成牛胰島素，北京大學(xué)在合成羊胰島素。
國家科委的人聽聞，開始“做媒”，希望促成中科院和北大的再度合作。
兩個月后，正式協(xié)議達(dá)成：北大放棄羊胰島素改作牛胰島素；由北大合成A鏈的前9肽；有機(jī)所合成A鏈的后12肽；生化所仍合成B鏈，并負(fù)責(zé)連接A鏈和B鏈。
再度攜手，他們約法三章：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！
4.小白鼠跳了
1964年初，在邢其毅和文重帶領(lǐng)下，北大化學(xué)系五位青年教師陸德培、李崇熙、施溥濤、季愛雪和葉蘊(yùn)華奔赴上海，和有機(jī)所的研究小組一道工作。整個A鏈合成主要由汪猷負(fù)責(zé)，領(lǐng)導(dǎo)北大和有機(jī)所兩個研究小組。
“那時我家小孩才1歲。”說起當(dāng)年離京赴滬的往事，葉蘊(yùn)華至今仍有憾意，卻無怨言。“汪猷先生非常嚴(yán)謹(jǐn)，我們做完的元素分析，汪先生親自拿計算尺核算，有誤差絕不能進(jìn)入下一步。”
汪猷要求，合成的每一個中間產(chǎn)物都要經(jīng)過多項(xiàng)分析檢定純度，其中任何一項(xiàng)未達(dá)指標(biāo)，都需進(jìn)一步提純后重做。這被組員們戲稱為“過五關(guān)、斬六將”。
同時，生化所里，鈕經(jīng)義、龔岳亭領(lǐng)導(dǎo)有機(jī)合成小組繼續(xù)合成B鏈。組員有十幾人，其中龔岳亭、黃維德、葛麟俊、陳常慶這四員干將，還獲贈外號“四大金剛”。
合成工作非常艱苦。組員張申碚在回憶文章中說，多肽合成時，有一種常用氨基保護(hù)劑需以光氣為原料合成，而光氣又是能用作化學(xué)武器的毒氣，在制備時難免吸入少量而造成身體不適。當(dāng)時條件有限，毒氣櫥排風(fēng)力太小，使用刺激性藥品時，不僅同一房間的人要“有難同當(dāng)”，相鄰實(shí)驗(yàn)室也得受“隔壁氣”。
1964年3月，B鏈小組合成了一個8肽和一個22肽，但把它們連接起來的最后一步多次失敗。龔岳亭、葛麟俊等人主張，改變保護(hù)B鏈最后一個氨基酸的常規(guī)方式，別“穿鞋”了，讓它“赤腳”！
難題迎刃而解，生化所于1964年8月成功合成了30個氨基酸的牛胰島素B肽鏈，其后與天然胰島素A肽鏈重組獲得了活性胰島素。“人B+天A”的半合成工作完成！
到有機(jī)所才半年，北大研究小組就成功合成了A鏈的前9肽。此時有機(jī)所也已累積了一些A鏈的后12肽。但這兩段肽鏈很難合成A鏈。
李崇熙等人提出變換后12肽的保護(hù)基，這意味著大幅改變實(shí)驗(yàn)設(shè)計。
負(fù)責(zé)人汪猷不同意，認(rèn)為應(yīng)走提純路線。
此時，美國和德國都有教授宣稱獲得了胰島素類產(chǎn)物，只是活力很低，沒有結(jié)晶。國內(nèi)B鏈也一直在等A鏈，李崇熙、施溥濤等人非常著急，害怕在最后一步被老外搶了先，跑去找有機(jī)所黨委書記丁公量。丁公量是參加過新四軍、經(jīng)歷過皖南事變的部隊(duì)轉(zhuǎn)業(yè)干部，一個有民主作風(fēng)的科研外行。他不僅聽取了李、施的意見，還咨詢了生化所的龔岳亭、葛麟俊。曾遇到過類似困難的龔、葛也建議改變后12肽合成路線。1965年3月，丁公量協(xié)調(diào)下，大家決定提純、重新合成兩種方案同時進(jìn)行。5月，李崇熙等人完成了新A鏈的合成。“人A+天B”的半合成實(shí)驗(yàn)隨后也獲成功。
只剩最后一步了，生化所的拆合組接下重任。
杜雨蒼等開始用人A、人B做全合成試驗(yàn)，但第一次實(shí)驗(yàn)失敗，生物測試未能出現(xiàn)小白鼠驚跳反應(yīng)。
杜雨蒼竭力探索，經(jīng)多次模擬實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造了兩次抽提、兩次凍干法，它能大幅度提高最后抽提物的活性。隨后的兩次全合成實(shí)驗(yàn)都成功獲得了有活力的胰島素，但沒析出結(jié)晶。
9月3日，又一次全合成試驗(yàn)完成，合成物在冰箱里冷凍了14天。
1965年9月17日，三家單位的科學(xué)家會聚生化所，從杜雨蒼高舉的手里，人們看到了試管里六角形結(jié)晶的閃光，大家歡呼起來。
“跳了！跳了！”之后進(jìn)行的小白鼠驚厥實(shí)驗(yàn)表明，人工胰島素的生物活性達(dá)到天然胰島素的80%。
又一陣歡呼。
在激烈的國際競賽中，中國科學(xué)家第一個取得了人工全合成結(jié)晶胰島素！這也是人類第一次用人工方法合成了蛋白質(zhì)！
合成固體有機(jī)化合物時，獲得結(jié)晶是化合物純凈的金指標(biāo)。中國人工全合成結(jié)晶牛胰島素的消息傳出后，舉世轟動，各國科學(xué)家紛紛祝賀并盛贊“這是中國獻(xiàn)給全世界的科學(xué)偉績”，其影響一直延續(xù)到改革開放后的八九十年代。
50多年后，當(dāng)年參與此項(xiàng)研究的科學(xué)家很多已仙逝。健在的參與者們從四面八方重返故地參加紀(jì)念活動，當(dāng)他們看到上海生化所的史料陳列室里，那些老照片上曾經(jīng)熟悉的青春容顏時，都禁不住發(fā)出與過去久別重逢的唏噓感慨——弦歌不輟，薪火相傳。