湯卡羅

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院　北京 100871)

人工合成胰島素的精神代代相傳——紀(jì)念我國(guó)人工合成結(jié)晶牛胰島素50周年

湯卡羅

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院北京 100871)

摘要我國(guó)科學(xué)家從1958年開始，經(jīng)過6年多的曲折努力，終于在1965年9月成功地獲得了人工全合成牛胰島素的晶體。這是世界上第一個(gè)人工合成的具有生物活力的結(jié)晶蛋白質(zhì)，它標(biāo)志著人類在認(rèn)識(shí)生命、探索生命奧秘的征途中邁出了關(guān)鍵性的一步，從而成為我國(guó)自然科學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。在完成這重大的科研項(xiàng)目中，我國(guó)科學(xué)家所體現(xiàn)的敢做難題、勇攀高峰的精神，顧全大局、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神，艱苦奮斗、不計(jì)名利的精神和嚴(yán)格認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的精神是值得發(fā)揚(yáng)光大，代代相傳的。

關(guān)鍵詞牛胰島素人工合成蛋白質(zhì)

50th Anniversary of the Total Synthesis of Bovine Insulin

& Its Spiritual Heritage

Tang Kaluo

(CollegeofChemistryandMolecularEngineering,PekingUniversity,Beijing100871,China)

AbstractFrom 1958 on, after going through great efforts for more than six years, Chinese scientists obtained successfully the crystals of total synthesis of bovine insulin in September, 1965. That was the first human synthesized crystalline protein with biological activity in the world. As a crucial step toward understanding and exploring the secrets of life, it stands as one of the major milestones in history of the development of natural sciences in China. In accomplishing the great achievement, the Chinese scientists dared to undertake difficult tasks and scale the heights of science. Besides, they are filled with the spirit of taking the whole situation into consideration; seeking group coorperaton; persisting hard struggle; regardless of personal fame and gain; being earnest and realistic; and having a rigorous attitude for scientific research. All these fine qualities are worthy of further development and being carried on from generation to generation.

Key WordsBovine insulin; Total synthesis; Protein

提起建國(guó)以來的科研成就，不少人就會(huì)想到人工合成結(jié)晶牛胰島素，甚至有人將其與我國(guó)“兩彈一星”的成功研制相提并論；但是也有些人不以為然，以為人工合成胰島素只不過是做了一個(gè)治療糖尿病的藥，沒有什么了不起的，因?yàn)槠駷橹乖谂R床上廣泛用于治療糖尿病的主要藥物就是由生物學(xué)方法提供的胰島素制劑。本文就人工合成胰島素的意義，完成這個(gè)科學(xué)難題的曲折過程，以及在這個(gè)重大的科研項(xiàng)目中體現(xiàn)了什么樣的精神，談一些個(gè)人的粗淺看法。

1人工合成胰島素的意義

要闡明人工合成胰島素的意義，先要談?wù)勈裁词且葝u素[1]。人和動(dòng)物體內(nèi)的胰島素是一種由胰島的β細(xì)胞分泌的有激素作用的蛋白質(zhì)。人們對(duì)胰島素的研究已經(jīng)有200多年的歷史。早在1788年，Coroley醫(yī)生就觀察到胰臟的功能與糖尿病有密切的關(guān)系；而真正從胰臟中提取出胰島素直至1922年才由加拿大外科醫(yī)生F.G.Banting和C.H.Best完成[2]。1952年，Craig測(cè)定單體胰島素的相對(duì)分子質(zhì)量接近6000(不同的生物有細(xì)微的差別，牛胰島素的相對(duì)分子質(zhì)量為5733)，是相對(duì)分子質(zhì)量最小的蛋白質(zhì)之一[3]。英國(guó)科學(xué)家Sanger經(jīng)過10年的努力，于1955年測(cè)定了胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)，確定胰島素由51個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成。這些氨基酸殘基按一定的順序連成A、B兩條鏈，其中A鏈有21個(gè)氨基酸殘基，B鏈有30個(gè)氨基酸殘基，兩鏈之間通過2個(gè)二硫鍵相連，A鏈中另有一個(gè)二硫鍵的內(nèi)部連接。這是人類第一次確定天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，為此他獲得了1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[4-5]。單單測(cè)定胰島素的結(jié)構(gòu)就用了10年時(shí)間，由此不難想象，用化學(xué)合成的方法把這么多氨基酸按一定順序一個(gè)個(gè)連接成一個(gè)有生物活性的蛋白質(zhì)該有多么困難。所以，當(dāng)Sanger獲得諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，世界權(quán)威雜志Nature發(fā)表的評(píng)論說“人工合成胰島素還不是近期所能做到的”[6]。

然而，我國(guó)科學(xué)家從1958年開始，經(jīng)過6年多的努力，在1965年9月成功地獲得了人工全合成牛胰島素的晶體[7]，這是世界上第一個(gè)人工合成的具有生物活力的結(jié)晶蛋白質(zhì)。美國(guó)科學(xué)家在Science雜志上發(fā)表文章，介紹中國(guó)人工合成胰島素領(lǐng)先于美國(guó)和德國(guó)[8]，承認(rèn)中國(guó)科學(xué)家是這場(chǎng)競(jìng)賽的贏家。德國(guó)的H.Zahn教授在看到1965年11月《中國(guó)科學(xué)》發(fā)表的全合成結(jié)晶牛胰島素的簡(jiǎn)報(bào)后，很快來信祝賀我們“第一次完成了結(jié)晶牛胰島素的全合成”，并多次在國(guó)外公開場(chǎng)合給予承認(rèn)。瑞士皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)化學(xué)組主席蒂斯利尤斯(A.Tiselius)在1966年對(duì)人工合成胰島素評(píng)價(jià)說：“人們可以從書本中學(xué)到制造原子彈，但是人們不能從書本中學(xué)到制造胰島素”[6]。

早在1873年，恩格斯就在《自然辯證法》一書中提出“生命是蛋白體的存在方式，”“如果有一天用化學(xué)方法制造蛋白體成功了，那末它們一定會(huì)顯示生命現(xiàn)象，進(jìn)行新陳代謝，雖然可能是很微弱的和短暫的?！盵9]人工牛胰島素的合成開辟了人工合成蛋白質(zhì)的時(shí)代，標(biāo)志著人類在認(rèn)識(shí)生命、探索生命奧秘的征途中邁出了關(guān)鍵性的一步，從而成為我國(guó)自然科學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。它推動(dòng)了一系列的相關(guān)課題，包括胰島素晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定、胰島素結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究，直至人工合成酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸等，促進(jìn)了生命科學(xué)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展[10]。

2攻克難題一波三折

Sanger測(cè)定了胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)后，在1958年大躍進(jìn)的形勢(shì)下，我國(guó)科學(xué)家(主要來自中國(guó)科學(xué)院上海生化所和北京大學(xué))大膽提出了人工合成胰島素的課題，得到了國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的支持。當(dāng)時(shí)的條件可以說是“一窮二白”，合成和分析所需要的設(shè)備、儀器以及很多種氨基酸、試劑、溶劑等都不能由國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，更缺乏有經(jīng)驗(yàn)的專家。當(dāng)時(shí)流行的口號(hào)是“敢想敢干”，從1959年開始做一些前期工作，到1960年初發(fā)展為“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”。北京大學(xué)化學(xué)系師生和少數(shù)生物系的師生共約300人參加了這場(chǎng)科研會(huì)戰(zhàn)。低年級(jí)的學(xué)生主要負(fù)責(zé)氨基酸和試劑的制備，溶劑的提純等；高年級(jí)的學(xué)生則參與小肽的合成。大家夜以繼日，24小時(shí)兩班倒，沒有周末，沒有節(jié)假日。當(dāng)時(shí)我作為北京大學(xué)化學(xué)系大三的學(xué)生，先是參加了絲氨酸的提取，后又參與了A、B鏈的拆合研究。據(jù)報(bào)道，正式參與過這個(gè)項(xiàng)目的至少有中國(guó)科學(xué)院上海生化所、有機(jī)所、藥物所、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等8個(gè)單位，估計(jì)參加過這項(xiàng)目的研究人員有幾百人之多[6]。這番違背科學(xué)規(guī)律的人海戰(zhàn)術(shù)式的科研，除了巨大的浪費(fèi)外，未有切實(shí)的成果。

1960年底，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)陷入了極度困難時(shí)期，中央決定對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)行“調(diào)整、鞏固、充實(shí)、提高”八字方針。科學(xué)院和教育部領(lǐng)導(dǎo)也對(duì)科研工作進(jìn)行了調(diào)整，“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”從此收兵。此后，生化所、有機(jī)所和北京大學(xué)化學(xué)系留下二三十名精干力量，堅(jiān)持踏踏實(shí)實(shí)的研究，做出了一系列成果，發(fā)表了一些論文。

1963年下半年，美國(guó)匹茲堡大學(xué)生物化學(xué)系的P.G.Katsoyannis副教授[11]和原聯(lián)邦德國(guó)羊毛研究所的H.Zahn教授[12]先后以簡(jiǎn)報(bào)的形式宣布，他們合成了有微弱活性(相當(dāng)于結(jié)晶胰島素活力分別是0.5%～1.2%和0.5%～1%)的人工胰島素。這些消息給我國(guó)研究者很大的震動(dòng)——如果別人搶在我們之前做完了，那我們就前功盡棄了。經(jīng)過分析，估計(jì)對(duì)手還需要一段時(shí)間才能完成全合成。

為了與美國(guó)人、德國(guó)人爭(zhēng)時(shí)間、搶速度，在國(guó)家科委的領(lǐng)導(dǎo)下，決定由北京大學(xué)化學(xué)系和中國(guó)科學(xué)院有機(jī)所、生化所集中在上海成立3支團(tuán)隊(duì)，協(xié)同作戰(zhàn)：由北京大學(xué)化學(xué)系邢其毅教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)到上海有機(jī)所和汪猷教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)匯合，共同負(fù)責(zé)胰島素的A鏈的合成；由上海生化所鈕經(jīng)義教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)合成B鏈；由上海生化所鄒承魯教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)負(fù)責(zé)拆合，提高A、B鏈的重組活性。1964年3月，在邢其毅教授與化學(xué)系副系主任文重老師的帶領(lǐng)下，北京大學(xué)化學(xué)系有機(jī)教研室的陸德培、李崇熙、季愛雪、施溥濤和葉蘊(yùn)華5位年輕教員克服了工作上、生活上的困難，奔赴上海。我作為邢其毅教授的研究生，也于1964年8月去上海參加這場(chǎng)科研協(xié)作。

合成胰島素的工作量非常大，難度非常高。首先要設(shè)計(jì)合成的路線和方法，這是前人沒有做過的事情，沒有現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，都需要在實(shí)踐中摸索。組成胰島素的51個(gè)氨基酸，除了4個(gè)甘氨酸外，其他47個(gè)氨基酸都具有不對(duì)稱碳原子，還有27個(gè)側(cè)鏈官能團(tuán)。合成這樣大的分子，總共有200多步反應(yīng)，官能團(tuán)需要加以保護(hù)，而且每步都不能消旋。另外，其中一些大的肽段溶解度極低，必須尋找特殊的溶劑。做過化學(xué)合成的人都知道，每一步反應(yīng)的得率在80%～90%就很不錯(cuò)了，有時(shí)還達(dá)不到。所以往往最初的反應(yīng)用幾十克甚至上百克的原料，但到最后只得到幾毫克甚至幾微克的產(chǎn)品。不但工作量大，而且要步步緊扣，要對(duì)反應(yīng)的產(chǎn)品進(jìn)行分離純化、分析鑒定。每得一個(gè)縮合產(chǎn)品都需要經(jīng)過元素分析、紅外光譜、旋光、層析、電泳、酶解及氨基酸組分的分析等嚴(yán)格鑒定，任何一項(xiàng)不合格，都需要進(jìn)一步提純后再分析，保證全部通過。參與這項(xiàng)工作的人員都非常努力，全心全意，一步一個(gè)腳印地干，每天工作到深夜，沒有周末、沒有節(jié)假日。

圖11979年胰島素組在北京大學(xué)十齋實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景
圖中自左至右：湯卡羅、葉蘊(yùn)華、李崇熙、邢其毅、季愛雪

1964年8月，上海生化所鈕經(jīng)義教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)成功地合成了人工B鏈，同天然的A鏈相連接，得到了半合成的牛胰島素[13]；1965年5月，北京大學(xué)和上海有機(jī)所聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功地合成了人工A鏈，同天然的B鏈相連接，也得到了半合成的牛胰島素[14]；與此同時(shí)，上海生化所鄒承魯教授的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的研究，大大提高了A、B鏈的重組收率，可以達(dá)到50%[15]，為胰島素的全合成提供了很好的條件。1965年9月17日，令人興奮的時(shí)刻終于來臨了——世界上第一個(gè)人工全合成的牛胰島素晶體誕生了！國(guó)家科委先后兩次組織著名科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)鑒定，證實(shí)人工全合成牛胰島素的結(jié)構(gòu)、生物活力、物理化學(xué)性質(zhì)、結(jié)晶形狀和天然的牛胰島素完全一樣。在漫長(zhǎng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，我們贏了！

3合成胰島素團(tuán)隊(duì)的寶貴精神

當(dāng)年，我作為一名在校研究生有幸參加了這項(xiàng)重大的科研項(xiàng)目，雖然只有短短的一年多時(shí)間，但是得到了鍛煉，學(xué)到了許多在書本里學(xué)不到的東西。人工合成胰島素的精神鼓勵(lì)著我，對(duì)以后的學(xué)習(xí)和工作起到了重要的作用，真是受益一生。

(1) 敢做難題、勇攀高峰的精神。合成有生物活性的蛋白質(zhì)是一項(xiàng)非常困難的、前無(wú)古人的科研項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)的研究基礎(chǔ)和物質(zhì)條件又都很薄弱，但是我國(guó)科學(xué)家不畏艱險(xiǎn)，敢于攀登世界科學(xué)高峰的精神是非常偉大的，這樣的精神值得現(xiàn)代科學(xué)工作者學(xué)習(xí)。我認(rèn)為，搞科學(xué)研究不可急功近利，不能只選一些“短、平、快”的課題，不可片面地追求論文的數(shù)量，要敢于啃硬骨頭，持之以恒，終究能做出有分量的科研成果。

(2) 顧全大局、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。胰島素的合成在1964年以后的短短一年多的時(shí)間里就取得了成功，最重要的一條就是團(tuán)隊(duì)協(xié)作，集中優(yōu)勢(shì)兵力打殲滅戰(zhàn)。胰島素研究的開始階段是各單位單獨(dú)搞，甚至北京搞“北京牌”的，上海搞“上海牌”的。后來，我們?cè)趪?guó)際競(jìng)爭(zhēng)中不分彼此，全國(guó)一盤棋，團(tuán)結(jié)一致，一起搞“中國(guó)牌”的。在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中往往要犧牲一些小單位的利益，例如我們北京大學(xué)有機(jī)教研室，如果在北京大學(xué)搞研究，就可以建設(shè)我們自己的實(shí)驗(yàn)室，還可以兼顧本教研室的其他科研和教學(xué)工作。為了國(guó)家利益，我們做出了“犧牲”。團(tuán)隊(duì)協(xié)作搞大項(xiàng)目還可以培養(yǎng)人才。我當(dāng)時(shí)作為研究生需要完成研究生的畢業(yè)論文，邢先生為我選擇了相對(duì)獨(dú)立的課題“牛胰島素A鏈帶保護(hù)基的氨端九肽的合成”，用自己合成的A鏈氨端前4肽A1-4和后5肽A5-9，用疊氮法縮合成九肽，其結(jié)果和其他同事用DCC法合成的九肽性質(zhì)完全一樣，收率還提高了[16]。

(3) 艱苦奮斗、不計(jì)名利的精神。我們這支專業(yè)科研隊(duì)伍年輕，除了幾位老專家，其余人的平均年齡不到30歲，敢想、敢說、敢干，刻苦鉆研，努力工作，每天加班加點(diǎn)，幾乎沒有休息過周末和節(jié)假日。但是我們從來沒有要過加班費(fèi)和津貼，發(fā)表論文也從來不爭(zhēng)排名，得到一點(diǎn)微薄的稿酬還都捐贈(zèng)了。一些年輕教員結(jié)婚不久，孩子才一兩歲，但是他們放下小家顧大家，一心撲在工作上。這樣的精神值得現(xiàn)代的年輕人學(xué)習(xí)。

(4) 嚴(yán)格認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的精神。與“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”不同，在胰島素合成中，由于有老專家“嚴(yán)”字當(dāng)頭，嚴(yán)格把關(guān)，年輕工作者都養(yǎng)成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。每做一個(gè)中間體都要有全面的分析數(shù)據(jù)，所謂“過五關(guān)、斬六將”，來不得半點(diǎn)虛假和馬虎。這樣的科學(xué)作風(fēng)伴隨著我一輩子，在我以后的學(xué)習(xí)和工作中，一直這樣要求自己，認(rèn)真記好實(shí)驗(yàn)記錄，嚴(yán)格要求每個(gè)產(chǎn)品的分析數(shù)據(jù)。我也這樣要求我的一批又一批的學(xué)生，希望他們傳承下去。

人工合成結(jié)晶牛胰島素已經(jīng)過去50年了，我也退休多年，但是胰島素的精神永遠(yuǎn)不會(huì)忘記，也不應(yīng)該忘記。這些精神對(duì)現(xiàn)代的科研工作仍有現(xiàn)實(shí)意義，但愿這種精神發(fā)揚(yáng)光大、代代相傳，推動(dòng)我國(guó)的科研事業(yè)取得更大的成果。

本文得到北京大學(xué)的葉蘊(yùn)華、段連運(yùn)、孫亦麗三位教授和作者的弟弟湯毅堅(jiān)的幫助，特此致謝。

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中圖分類號(hào)O6；G64

doi:10.3866/pku.DXHX20150206