人工合成胰島素歷經(jīng)波折終登化學(xué)合成之巔
2021-07-12 04:32熊衛(wèi)民
科學(xué)大觀園 2021年13期
熊衛(wèi)民
胰島素分子分子模型，3D插圖。
1965年9月17日，中國科學(xué)家成功合成了牛結(jié)晶胰島素，這是世界上第一次人工合成多肽類生物活性物質(zhì)。這項(xiàng)成果一直是中國科學(xué)界的驕傲，它像“兩彈一星”一樣，證明了中國人在一窮二白的基礎(chǔ)上，仍可在尖端科研領(lǐng)域與西方發(fā)達(dá)國家一決高下，甚至做出世界一流的成果。回眸當(dāng)初，一些鮮為人知的故事漸漸浮出水面。
“合成一個(gè)蛋白質(zhì)”課題確定
課題的提出應(yīng)當(dāng)歸因于“大躍進(jìn)”運(yùn)動(dòng)。為避免遭到批判，中國科學(xué)院各兄弟單位競相放出了多個(gè)“科學(xué)衛(wèi)星”，而即將于1958年8月成立的中科院（上海）生物化學(xué)研究所該提出怎樣語驚四座的課題，成了擺在該所每一位專家面前的問題。
在討論會(huì)上，“合成一個(gè)蛋白質(zhì)”的聲音瞬間吸引了全員關(guān)注。這是一個(gè)前所未有的國際前沿課題，現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)是否已經(jīng)接近做到這一點(diǎn)？中國有沒有這個(gè)條件？沒人知道。但這個(gè)課題確實(shí)夠響亮。出于政治和意識(shí)形態(tài)的考慮，這顆設(shè)想中的“衛(wèi)星”得以保留。
因?yàn)闆]有把握，誰也沒把這個(gè)用于交差的設(shè)想看得太認(rèn)真。在那次會(huì)議上，與會(huì)者只是簡單地提出要用化學(xué)方法合成蛋白質(zhì)，至于完成的時(shí)間則被設(shè)定為20年之內(nèi)。然而，這一設(shè)想很快又被擺上了群眾討論會(huì)，生物化學(xué)研究所的青年科技工作者一下就被它吸引住了。作為“大躍進(jìn)”的“成果”，“合成一個(gè)蛋白質(zhì)”的設(shè)想被放上“上海市科學(xué)技術(shù)展覽會(huì)”參展。負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的老先生既不是研究人員，也不懂相關(guān)知識(shí)。他把展覽合成蛋白質(zhì)理解成了合成生命，于是夸張地畫了一個(gè)站在三角瓶里的小娃娃。
這幅漫畫吸引了前來參觀的周恩來總理，他詢問生化所的講解人員這項(xiàng)工作什么時(shí)候能完成。講解人員回答，生化所打算用5年時(shí)間完成。
“5年是不是太長了？”周恩來將了生化所一軍?？吹街芏鱽淼膽B(tài)度，陪同的副總理李富春、上海市市長柯慶施表示要鼓勵(lì)、支持這項(xiàng)工作。隨后，經(jīng)過熱烈的討論，生化所迅速把完成時(shí)間減為4年。
得到中央領(lǐng)導(dǎo)人關(guān)注之后，“合成一個(gè)蛋白質(zhì)”就不再只是一個(gè)科學(xué)暢想或口號(hào)了，它很快被列入全國1959年科研計(jì)劃（草案），成為國家重點(diǎn)研究項(xiàng)目之一。
具體合成什么蛋白質(zhì)呢？當(dāng)時(shí)已經(jīng)確定一級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)只有胰島素，科研人員別無選擇。1958年12月，人工合成胰島素的課題被確定了下來。
1959年中期，這項(xiàng)工作還獲得了國家級(jí)機(jī)密研究計(jì)劃所特有的標(biāo)志。它的代號(hào)是“601”，意為“1960年第一項(xiàng)重點(diǎn)研究項(xiàng)目”。
成果未能及時(shí)發(fā)表
1959年1月，胰島素人工合成工作正式啟動(dòng)。
中科院（上海）生化所建立了以黨員科學(xué)家曹天欽為組長的5人小組來領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作。為達(dá)到符合“大躍進(jìn)”要求的速度，他們成立了5個(gè)研究小組分別探路。其中，因探索有效得以延續(xù)的小組有兩個(gè)：由鄒承魯負(fù)責(zé)的天然胰島素拆合小組，由鈕經(jīng)義負(fù)責(zé)的胰島素肽鏈有機(jī)合成小組。
他們深知任務(wù)艱巨，在有機(jī)合成方面工作量巨大，而自己缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，人手又不夠，于是想找其他單位合作。他們首先聯(lián)系的是同處上海的中科院有機(jī)化學(xué)研究所，但該所代所長汪猷對(duì)此沒興趣。接著，他們又找了北京大學(xué)。經(jīng)過幾輪協(xié)商，1959年4月，北京大學(xué)化學(xué)系開始和生化所分工協(xié)作。
工作一開始就困難重重，鄒承魯領(lǐng)導(dǎo)的拆合小組（成員有杜雨蒼、張友尚、許根俊、魯子賢等）曾經(jīng)用過7種方法都沒能拆開胰島素的3個(gè)二硫鍵。最后他們終于找到一個(gè)條件，將胰島素完全拆開成了穩(wěn)定的A鏈及B鏈。這是一項(xiàng)比較有意義的成果，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)國家特別強(qiáng)調(diào)保密，鄒承魯?shù)热藳]有立即發(fā)表。
在國家科委的撮合下，1963年下半年，北京大學(xué)化學(xué)系和中科院有機(jī)所、生化所又開始重新醞釀合作。為了避免上次的教訓(xùn)，他們約定：“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?！?/blockquote>
二硫鍵拆開之后，A、B兩鏈能否重新組合成胰島素？從當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐來看，文獻(xiàn)給出的結(jié)論是：萬分困難。但在“大躍進(jìn)”形勢的激勵(lì)下，小組還是多次試驗(yàn)。歷經(jīng)艱辛，他們終于在1959年3月19日得到了第一個(gè)肯定的結(jié)果——接合產(chǎn)物表現(xiàn)出了0.7%～1%的生物活性！
又經(jīng)過多次失敗，克服了許多技術(shù)障礙后，他們終于在1959年國慶獻(xiàn)禮前摸索出了一個(gè)更好的辦法，使天然胰島素拆開后再重合的活性穩(wěn)定地恢復(fù)到原活性的5%～10%。
這是一項(xiàng)重大成果，不僅解決了胰島素合成的大路線問題，還在一定意義上完成了胰島素合成的最后一步工作。在吸取前次教訓(xùn)后，生化所于1959年11月16日向中國科學(xué)院黨組上書，要求盡快發(fā)表重合成成果。然而，基于保密考慮，為了避免“帝國主義國家”的同行——那時(shí)已知美國和聯(lián)邦德國各有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行胰島素的人工合成工作——利用我們的這一發(fā)現(xiàn)率先完成胰島素的合成，中國科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)沒有批復(fù)“同意”。
1960年，加拿大的兩位科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表了類似的結(jié)果。雖然他們只恢復(fù)了1%～2%的活性，成績遠(yuǎn)沒有鄒承魯?shù)热说暮?，但在發(fā)表時(shí)間上搶到了我國科學(xué)家之前。
1959年夏天，生化所把正在漕河涇農(nóng)場下放勞動(dòng)的張友尚召回，讓他分離純化重合成胰島素。通過反復(fù)試驗(yàn)，1959年底，張友尚等人找到了一種合適的提純方法，得到了和天然胰島素結(jié)晶一致的重合成胰島素的結(jié)晶。
由兩條變性的鏈可以得到有較高生物活性的重合成胰島素的結(jié)晶，這就從實(shí)踐上進(jìn)一步證明：天然胰島素結(jié)構(gòu)是A、B多肽鏈所能形成的所有異構(gòu)體中最穩(wěn)定的;換言之，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)信息包含在其一級(jí)結(jié)構(gòu)之中。這一結(jié)果具有重大理論意義。但又是基于上述保密要求，鄒承魯、張友尚等人仍然沒能及時(shí)發(fā)表此成果。1961年，美國科學(xué)家安芬森發(fā)表了一項(xiàng)類似的、相對(duì)更簡單的工作，他后來因這項(xiàng)工作獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
在拆合小組工作快速取得突破的同時(shí)，合成小組的工作也取得了一定進(jìn)展。到1959年底，鈕經(jīng)義所領(lǐng)導(dǎo)的B鏈合成小組（成員包括龔岳亭、陳常慶、黃惟德、葛麟俊、汪克臻、張申碚等）不但掌握了各種多肽合成技術(shù)，還將B鏈的所有30個(gè)氨基酸都聯(lián)成了小肽，最長的已達(dá)到了8肽。同時(shí)，北京大學(xué)化學(xué)系的A鏈合成小組也完成了氨基酸的分離、特殊試劑的合成、分析分離方法的建立等工作，另外還合成了一些2肽。
不過，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到最初計(jì)劃的進(jìn)度。合成多肽的確太過繁復(fù)：沒選擇好合適的溶劑、保護(hù)基、縮合劑，沒選擇好合適的肽段大小等等因素，都可能使合成功虧一簣，而這些方案都需要摸索。
“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”全面展開
“反右傾”運(yùn)動(dòng)給胰島素工作帶來了一種富有中國特色的科研方式——“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”。
1959年底，北京大學(xué)化學(xué)系的學(xué)生對(duì)自己的老師展開了猛烈的批判，批判結(jié)果之一是胰島素合成工作的領(lǐng)導(dǎo)班子被改組。有機(jī)教研室主任邢其毅教授等被迫靠邊站，一位1958年才畢業(yè)留校的青年教師代替他主持業(yè)務(wù)工作。1960年4月，又有10多個(gè)被稱為“革命動(dòng)力”的學(xué)生提前3個(gè)月畢業(yè)，加入了領(lǐng)導(dǎo)班子。
在這個(gè)缺乏科研經(jīng)驗(yàn)的新班子的指揮下，北大化學(xué)系及少量生物系“革命師生”共約300人參加了這場科研大戰(zhàn)，一大批“連氨基酸符號(hào)還不認(rèn)識(shí)的”青年教員和學(xué)生成了胰島素研究的“尖兵”和“主力軍”。
在這些人看來，合成多肽非常簡單：“把兩段多肽倒到一起，就合成了一個(gè)新的多肽?！彼麄儾粏柺欠癜l(fā)生了反應(yīng)，也不問具體產(chǎn)物是什么。就這樣，北京大學(xué)的進(jìn)展奇快，于1960年4月22日“合成了A鏈”。
受北大群眾運(yùn)動(dòng)的激發(fā)，1960年1月下旬，中科院（上海）生化所也開始大量抽調(diào)工作人員支援原有的兩個(gè)研究小組。一番“苦戰(zhàn)”后，他們于4月20日“合成了B鏈30肽”。
在這場科研“競賽”進(jìn)行得如火如荼的時(shí)候，復(fù)旦大學(xué)生物系橫空殺入。1960年1月30日，在上海市委的支持下，復(fù)旦大學(xué)生物系某黨支部委員組織了六七十名師生，開始單獨(dú)籌劃胰島素人工合成工作。3月25日，為了迎接市工業(yè)會(huì)議的召開，他們又組織了120名師生邊干邊學(xué)、不舍晝夜地參與合成。其方法和北大如出一轍，都不對(duì)中間產(chǎn)物做分離和鑒定，只是拼命往前趕。于是，復(fù)旦大學(xué)也飛速地在4月22日“完成了B鏈30肽”。
1960年4月19日至26日，中國科學(xué)院第三次學(xué)部會(huì)議在上海舉行。會(huì)上出現(xiàn)了戲劇性的一幕：中科院（上海）生化所、北京大學(xué)化學(xué)系、復(fù)旦大學(xué)生物系3個(gè)單位先后向?qū)W部大會(huì)獻(xiàn)禮，宣布自己初步合成了人工胰島素B鏈、A鏈，以及B、A二鏈。
與會(huì)的國務(wù)院副總理、國家科委主任聶榮臻和中科院院長郭沫若等領(lǐng)導(dǎo)異常興奮。他們?yōu)槿w相關(guān)人員舉辦了盛大的慶功宴，只留下生化所拆合小組的杜雨蒼和張友尚在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行人工胰島素A、B鏈的全合成工作，并要求一出成果，馬上報(bào)喜。4天之后，拆合小組仍未成功。復(fù)旦大學(xué)卻爆出喜訊：他們首次得到了具有生物活性的人工胰島素！上海市市長隨即宣布了這件大喜事。這條消息刺激了北京市委，他們給北大發(fā)指示，要求后者研發(fā)“北京牌”胰島素。于是，北大只好于1960年5月1日“又開辟了第二個(gè)戰(zhàn)場”，成立了新的B鏈組，大搞B鏈的合成。
上海市委和北京市委的競爭給中國科學(xué)院黨組帶來了很大壓力。1960年5月4日，中國科學(xué)院上海分院黨委書記決定親自掛帥任總指揮，組織生物化學(xué)所、有機(jī)化學(xué)所、藥物所、細(xì)胞生物學(xué)所、生理研究所5個(gè)研究所進(jìn)行“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”。
在當(dāng)晚的會(huì)議上，生化所黨支部提出用20天時(shí)間完成人工全合成，分院黨委書記隨即將時(shí)間縮短為半個(gè)月。有機(jī)所代所長汪猷接著表態(tài)：“半個(gè)月太長，要在一個(gè)星期內(nèi)完成?！本瓦@樣，在領(lǐng)導(dǎo)的嚴(yán)厲要求下，科學(xué)院上海分院開始了風(fēng)風(fēng)火火的群眾運(yùn)動(dòng)。
5月5日，相關(guān)研究所共派出344人參加這項(xiàng)工作。他們打破了原有“所、室、組”的正常建制，組成了一個(gè)混合編隊(duì)，下屬多個(gè)“戰(zhàn)斗組”。戰(zhàn)斗組的組長一律由青年擔(dān)任，原來擔(dān)任組長的研究員們改當(dāng)組員。他們還采取了一日二班制的辦法，很多人每天除了幾小時(shí)的睡眠，其他時(shí)間都在試驗(yàn)臺(tái)旁度過。
可胰島素人工合成畢竟是基礎(chǔ)科學(xué)研究，盡管有堅(jiān)定的決心，這么多人忙了7天、15天、20天乃至一個(gè)月，依然沒有實(shí)現(xiàn)最初的目標(biāo)。50天后，人工合成的A、B鏈“正式會(huì)師”，但“人A人B”全合成沒有出現(xiàn)活力。隨后的20天內(nèi)，合成A鏈進(jìn)行3次“人A天B”測定，均無活力。
生化所所長王應(yīng)睞一直不欣賞這種研究方式。1960年7月底，他終于鼓起勇氣向中國科學(xué)院黨組的領(lǐng)導(dǎo)反映了自己的想法，說人太多沒有好處，專業(yè)不對(duì)口的在里面起不到什么作用。他的建議得到了認(rèn)真考量，10月份時(shí)參加人數(shù)下降到了80人左右;到了年底，生化所只剩精干隊(duì)伍近20人，有機(jī)所只剩7人。
在交了上百萬元的昂貴學(xué)費(fèi)后，科學(xué)院的“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”終于偃旗息鼓。不久，北大也因經(jīng)費(fèi)耗盡、成果闕如而鳴金收兵。與中科院相比，他們的情況要嚴(yán)重得多。有3名學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)重?zé)齻?，另?0多名學(xué)生因工作和生活條件惡劣而患上肺結(jié)核。復(fù)旦生物系同樣因?yàn)榻?jīng)費(fèi)等問題于1960年下半年停止相關(guān)研究。
七八百名科技工作者和學(xué)生辛辛苦苦忙了好幾個(gè)月，除有機(jī)所留有少量產(chǎn)物用于繼續(xù)提純和分析，后來陸續(xù)整理出了幾篇論文外，其他成果都被當(dāng)成垃圾倒了?！按蟊鴪F(tuán)作戰(zhàn)”就此成為一場空。
打造“中國”牌胰島素
“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”遭遇慘敗后，國家進(jìn)入了調(diào)整期。有機(jī)所的一些研究人員表示要“敲鑼打鼓”把這個(gè)課題送還生化所，而生化所的絕大部分參與者心灰意懶，希望下馬這個(gè)課題。北京大學(xué)化學(xué)系的情況也類似。
1961年，聶榮臻到生化所視察時(shí)明確表示：人工合成胰島素100年我們也要搞下去。他說：“我們這么大的國家，幾億人口，就那么幾個(gè)人，就那么一點(diǎn)錢，為什么就不行？你們做，再大的責(zé)任我們承擔(dān)?！?/p>
就這樣，合成胰島素工作最終得以繼續(xù)，隊(duì)伍被精干到20多人，大多為早期的參與者，研究方式也恢復(fù)到了以前腳踏實(shí)地的狀態(tài)。
曹天欽、沈善炯、王應(yīng)睞、殷宏章、鄒承魯（自左至右）1961 年參加第五屆國際生化會(huì)議時(shí)攝于莫斯科大學(xué)前。
在國家科委的撮合下，1963年下半年，北京大學(xué)化學(xué)系和中科院有機(jī)所、生化所又開始重新醞釀合作。在吸取上次的教訓(xùn)后，他們約定：“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?！?/p>
1964年年初，在邢其毅教授的帶領(lǐng)下，北京大學(xué)化學(xué)系的陸德培、李崇熙、施溥濤、季愛雪和葉蘊(yùn)華等5位教師奔赴上海，開始了和有機(jī)所的汪猷、徐杰誠、張偉君等不分彼此的協(xié)作。他們共同負(fù)責(zé)胰島素A鏈的合成。而生化所方面，在鈕經(jīng)義、龔岳亭等人繼續(xù)合成胰島素B鏈的同時(shí)，拆合小組仍在為提高重組活性而努力。
他們于1964年8月、1965年5月先后拿到了B鏈和A鏈。1965年年中，當(dāng)A鏈積累到100毫克（此時(shí)B鏈已積累到了5克）時(shí)，杜雨蒼等人開始做全合成實(shí)驗(yàn)。出人意料的是，注射了合成產(chǎn)物的小白鼠并沒有因驚厥反應(yīng)跳起來。
1965年9月3日，杜雨蒼等人再次嘗試了人工A鏈與人工B鏈的全合成實(shí)驗(yàn)，并將產(chǎn)物放在冰箱里冷凍了14天。9月17日清晨，生化所、有機(jī)所、北京大學(xué)化學(xué)系3家單位的研究人員匯聚到了生化所。這次會(huì)不會(huì)成功呢？
當(dāng)杜雨蒼手中高舉著滴管從實(shí)驗(yàn)室中走出，人們終于看到了自己為之奮斗多年的成果——閃閃發(fā)光、晶瑩透明的全合成牛胰島素結(jié)晶！“那實(shí)在是一個(gè)無法用語言形容的激動(dòng)人心的時(shí)刻。”30多年后，已八十高齡的鄒承魯先生依然飽含激情地回憶道。
經(jīng)過6年零9個(gè)月的努力，中國科學(xué)家終于首次取得了人工胰島素結(jié)晶！
◎ 來源|中國青年報(bào)（有刪減）
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