人工合成胰岛素历经波折终登化学合成之巅

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胰岛素分子分子模型,3D插图。

  1965年9月17日,中国科学家成功合成了牛结晶胰岛素,这是世界上第一次人工合成多肽类生物活性物质。这项成果一直是中国科学界的骄傲,它像“两弹一星”一样,证明了中国人在一穷二白的基础上,仍可在尖端科研领域与西方发达国家一决高下,甚至做出世界一流的成果。回眸当初,一些鲜为人知的故事渐渐浮出水面。

“合成一个蛋白质”课题确定


  课题的提出应当归因于“大跃进”运动。为避免遭到批判,中国科学院各兄弟单位竞相放出了多个“科学卫星”,而即将于1958年8月成立的中科院(上海)生物化学研究所该提出怎样语惊四座的课题,成了摆在该所每一位专家面前的问题。
  在讨论会上,“合成一个蛋白质”的声音瞬间吸引了全员关注。这是一个前所未有的国际前沿课题,现有的科学技术是否已经接近做到这一点?中国有没有这个条件?没人知道。但这个课题确实够响亮。出于政治和意识形态的考虑,这颗设想中的“卫星”得以保留。
  因为没有把握,谁也没把这个用于交差的设想看得太认真。在那次会议上,与会者只是简单地提出要用化学方法合成蛋白质,至于完成的时间则被设定为20年之内。然而,这一设想很快又被摆上了群众讨论会,生物化学研究所的青年科技工作者一下就被它吸引住了。作为“大跃进”的“成果”,“合成一个蛋白质”的设想被放上“上海市科学技术展览会”参展。负责这项工作的老先生既不是研究人员,也不懂相关知识。他把展览合成蛋白质理解成了合成生命,于是夸张地画了一个站在三角瓶里的小娃娃。
  这幅漫画吸引了前来参观的周恩来总理,他询问生化所的讲解人员这项工作什么时候能完成。讲解人员回答,生化所打算用5年时间完成。
  “5年是不是太长了?”周恩来将了生化所一军。看到周恩来的态度,陪同的副总理李富春、上海市市长柯庆施表示要鼓励、支持这项工作。随后,经过热烈的讨论,生化所迅速把完成时间减为4年。
  得到中央领导人关注之后,“合成一个蛋白质”就不再只是一个科学畅想或口号了,它很快被列入全国1959年科研计划(草案),成为国家重点研究项目之一。
  具体合成什么蛋白质呢?当时已经确定一级结构的蛋白质只有胰岛素,科研人员别无选择。1958年12月,人工合成胰岛素的课题被确定了下来。
  1959年中期,这项工作还获得了国家级机密研究计划所特有的标志。它的代号是“601”,意为“1960年第一项重点研究项目”。

成果未能及时发表


  1959年1月,胰岛素人工合成工作正式启动。
  中科院(上海)生化所建立了以党员科学家曹天钦为组长的5人小組来领导这项工作。为达到符合“大跃进”要求的速度,他们成立了5个研究小组分别探路。其中,因探索有效得以延续的小组有两个:由邹承鲁负责的天然胰岛素拆合小组,由钮经义负责的胰岛素肽链有机合成小组。
  他们深知任务艰巨,在有机合成方面工作量巨大,而自己缺乏相关经验,人手又不够,于是想找其他单位合作。他们首先联系的是同处上海的中科院有机化学研究所,但该所代所长汪猷对此没兴趣。接着,他们又找了北京大学。经过几轮协商,1959年4月,北京大学化学系开始和生化所分工协作。
  工作一开始就困难重重,邹承鲁领导的拆合小组(成员有杜雨苍、张友尚、许根俊、鲁子贤等)曾经用过7种方法都没能拆开胰岛素的3个二硫键。最后他们终于找到一个条件,将胰岛素完全拆开成了稳定的A链及B链。这是一项比较有意义的成果,但因为当时国家特别强调保密,邹承鲁等人没有立即发表。

  在国家科委的撮合下,1963年下半年,北京大学化学系和中科院有机所、生化所又开始重新酝酿合作。为了避免上次的教训,他们约定:“不搞‘上海’的胰岛素,不搞‘北京’的胰岛素,一心一意搞出‘中国’的胰岛素。”

  二硫键拆开之后,A、B两链能否重新组合成胰岛素?从当时的认识和实践来看,文献给出的结论是:万分困难。但在“大跃进”形势的激励下,小组还是多次试验。历经艰辛,他们终于在1959年3月19日得到了第一个肯定的结果——接合产物表现出了0.7%~1%的生物活性!
  又经过多次失败,克服了许多技术障碍后,他们终于在1959年国庆献礼前摸索出了一个更好的办法,使天然胰岛素拆开后再重合的活性稳定地恢复到原活性的5%~10%。
  这是一项重大成果,不仅解决了胰岛素合成的大路线问题,还在一定意义上完成了胰岛素合成的最后一步工作。在吸取前次教训后,生化所于1959年11月16日向中国科学院党组上书,要求尽快发表重合成成果。然而,基于保密考虑,为了避免“帝国主义国家”的同行——那时已知美国和联邦德国各有一个实验室在进行胰岛素的人工合成工作——利用我们的这一发现率先完成胰岛素的合成,中国科学院领导没有批复“同意”。
  1960年,加拿大的两位科学家在《自然》杂志上发表了类似的结果。虽然他们只恢复了1%~2%的活性,成绩远没有邹承鲁等人的好,但在发表时间上抢到了我国科学家之前。
  1959年夏天,生化所把正在漕河泾农场下放劳动的张友尚召回,让他分离纯化重合成胰岛素。通过反复试验,1959年底,张友尚等人找到了一种合适的提纯方法,得到了和天然胰岛素结晶一致的重合成胰岛素的结晶。
  由两条变性的链可以得到有较高生物活性的重合成胰岛素的结晶,这就从实践上进一步证明:天然胰岛素结构是A、B多肽链所能形成的所有异构体中最稳定的;换言之,蛋白质的空间结构信息包含在其一级结构之中。这一结果具有重大理论意义。但又是基于上述保密要求,邹承鲁、张友尚等人仍然没能及时发表此成果。1961年,美国科学家安芬森发表了一项类似的、相对更简单的工作,他后来因这项工作获得了诺贝尔化学奖。   在拆合小组工作快速取得突破的同时,合成小组的工作也取得了一定进展。到1959年底,钮经义所领导的B链合成小组(成员包括龚岳亭、陈常庆、黄惟德、葛麟俊、汪克臻、张申碚等)不但掌握了各种多肽合成技术,还将B链的所有30个氨基酸都联成了小肽,最长的已达到了8肽。同时,北京大学化学系的A链合成小组也完成了氨基酸的分离、特殊试剂的合成、分析分离方法的建立等工作,另外还合成了一些2肽。
  不过,这远远没有达到最初计划的进度。合成多肽的确太过繁复:没选择好合适的溶剂、保护基、缩合剂,没选择好合适的肽段大小等等因素,都可能使合成功亏一篑,而这些方案都需要摸索。

“大兵团作战”全面展开


  “反右倾”运动给胰岛素工作带来了一种富有中国特色的科研方式——“大兵团作战”。
  1959年底,北京大学化学系的学生对自己的老师展开了猛烈的批判,批判结果之一是胰岛素合成工作的领导班子被改组。有机教研室主任邢其毅教授等被迫靠边站,一位1958年才毕业留校的青年教师代替他主持业务工作。1960年4月,又有10多个被称为“革命动力”的学生提前3个月毕业,加入了领导班子。
  在这个缺乏科研经验的新班子的指挥下,北大化学系及少量生物系“革命师生”共约300人参加了这场科研大战,一大批“连氨基酸符号还不认识的”青年教员和学生成了胰岛素研究的“尖兵”和“主力军”。
  在这些人看来,合成多肽非常简单:“把两段多肽倒到一起,就合成了一个新的多肽。”他们不问是否发生了反应,也不问具体产物是什么。就这样,北京大学的进展奇快,于1960年4月22日“合成了A链”。
  受北大群众运动的激发,1960年1月下旬,中科院(上海)生化所也开始大量抽调工作人员支援原有的两个研究小组。一番“苦战”后,他们于4月20日“合成了B链30肽”。
  在这场科研“竞赛”进行得如火如荼的时候,复旦大学生物系横空杀入。1960年1月30日,在上海市委的支持下,复旦大学生物系某党支部委员组织了六七十名师生,开始单独筹划胰岛素人工合成工作。3月25日,为了迎接市工业会议的召开,他们又组织了120名师生边干边学、不舍昼夜地参与合成。其方法和北大如出一辙,都不对中间产物做分离和鉴定,只是拼命往前赶。于是,复旦大学也飞速地在4月22日“完成了B链30肽”。
  1960年4月19日至26日,中国科学院第三次学部会议在上海举行。会上出现了戏剧性的一幕:中科院(上海)生化所、北京大学化学系、复旦大学生物系3个单位先后向学部大会献礼,宣布自己初步合成了人工胰岛素B链、A链,以及B、A二链。
  与会的国务院副总理、国家科委主任聂荣臻和中科院院长郭沫若等领导异常兴奋。他们为全体相关人员举办了盛大的庆功宴,只留下生化所拆合小组的杜雨苍和张友尚在实验室里进行人工胰岛素A、B链的全合成工作,并要求一出成果,馬上报喜。4天之后,拆合小组仍未成功。复旦大学却爆出喜讯:他们首次得到了具有生物活性的人工胰岛素!上海市市长随即宣布了这件大喜事。这条消息刺激了北京市委,他们给北大发指示,要求后者研发“北京牌”胰岛素。于是,北大只好于1960年5月1日“又开辟了第二个战场”,成立了新的B链组,大搞B链的合成。
  上海市委和北京市委的竞争给中国科学院党组带来了很大压力。1960年5月4日,中国科学院上海分院党委书记决定亲自挂帅任总指挥,组织生物化学所、有机化学所、药物所、细胞生物学所、生理研究所5个研究所进行“大兵团作战”。

  在当晚的会议上,生化所党支部提出用20天时间完成人工全合成,分院党委书记随即将时间缩短为半个月。有机所代所长汪猷接着表态:“半个月太长,要在一个星期内完成。”就这样,在领导的严厉要求下,科学院上海分院开始了风风火火的群众运动。
  5月5日,相关研究所共派出344人参加这项工作。他们打破了原有“所、室、组”的正常建制,组成了一个混合编队,下属多个“战斗组”。战斗组的组长一律由青年担任,原来担任组长的研究员们改当组员。他们还采取了一日二班制的办法,很多人每天除了几小时的睡眠,其他时间都在试验台旁度过。
  可胰岛素人工合成毕竟是基础科学研究,尽管有坚定的决心,这么多人忙了7天、15天、20天乃至一个月,依然没有实现最初的目标。50天后,人工合成的A、B链“正式会师”,但“人A人B”全合成没有出现活力。随后的20天内,合成A链进行3次“人A天B”测定,均无活力。
  生化所所长王应睐一直不欣赏这种研究方式。1960年7月底,他终于鼓起勇气向中国科学院党组的领导反映了自己的想法,说人太多没有好处,专业不对口的在里面起不到什么作用。他的建议得到了认真考量,10月份时参加人数下降到了80人左右;到了年底,生化所只剩精干队伍近20人,有机所只剩7人。
  在交了上百万元的昂贵学费后,科学院的“大兵团作战”终于偃旗息鼓。不久,北大也因经费耗尽、成果阙如而鸣金收兵。与中科院相比,他们的情况要严重得多。有3名学生在实验中严重烧伤,另有60多名学生因工作和生活条件恶劣而患上肺结核。复旦生物系同样因为经费等问题于1960年下半年停止相关研究。
  七八百名科技工作者和学生辛辛苦苦忙了好几个月,除有机所留有少量产物用于继续提纯和分析,后来陆续整理出了几篇论文外,其他成果都被当成垃圾倒了。“大兵团作战”就此成为一场空。

打造“中国”牌胰岛素


  “大兵团作战”遭遇惨败后,国家进入了调整期。有机所的一些研究人员表示要“敲锣打鼓”把这个课题送还生化所,而生化所的绝大部分参与者心灰意懒,希望下马这个课题。北京大学化学系的情况也类似。   1961年,聂荣臻到生化所视察时明确表示:人工合成胰岛素100年我们也要搞下去。他说:“我们这么大的国家,几亿人口,就那么几个人,就那么一点钱,为什么就不行?你们做,再大的责任我们承担。”
  就这样,合成胰岛素工作最终得以继续,队伍被精干到20多人,大多为早期的参与者,研究方式也恢复到了以前脚踏实地的状态。
曹天钦、沈善炯、王应睐、殷宏章、邹承鲁(自左至右)1961 年参加第五届国际生化会议时摄于莫斯科大学前。

  在国家科委的撮合下,1963年下半年,北京大学化学系和中科院有机所、生化所又开始重新酝酿合作。在吸取上次的教训后,他们约定:“不搞‘上海’的胰岛素,不搞‘北京’的胰岛素,一心一意搞出‘中国’的胰岛素。”
  1964年年初,在邢其毅教授的带领下,北京大学化学系的陆德培、李崇熙、施溥涛、季爱雪和叶蕴华等5位教师奔赴上海,开始了和有机所的汪猷、徐杰诚、张伟君等不分彼此的协作。他们共同负责胰岛素A链的合成。而生化所方面,在钮经义、龚岳亭等人继续合成胰岛素B链的同时,拆合小组仍在为提高重组活性而努力。
  他们于1964年8月、1965年5月先后拿到了B链和A链。1965年年中,当A链积累到100毫克(此时B链已积累到了5克)时,杜雨苍等人开始做全合成实验。出人意料的是,注射了合成产物的小白鼠并没有因惊厥反应跳起来。
  1965年9月3日,杜雨苍等人再次尝试了人工A链与人工B链的全合成实验,并将产物放在冰箱里冷冻了14天。9月17日清晨,生化所、有机所、北京大学化学系3家单位的研究人员汇聚到了生化所。这次会不会成功呢?
  当杜雨苍手中高举着滴管从实验室中走出,人们終于看到了自己为之奋斗多年的成果——闪闪发光、晶莹透明的全合成牛胰岛素结晶!“那实在是一个无法用语言形容的激动人心的时刻。”30多年后,已八十高龄的邹承鲁先生依然饱含激情地回忆道。
  经过6年零9个月的努力,中国科学家终于首次取得了人工胰岛素结晶!
  ◎ 来源|中国青年报(有删减)
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