首批获得的牛胰岛素结晶

 

 

 

胰岛素的分子结构

 

 

 

全合成胰岛素研究组成立之初的人员（前排中为王芷涯；中排左四钮经义、左五邹承鲁、左六曹天钦、左七沈昭文；后排右一许根俊、右二张友尚、右五龚岳亭、右六张申碚）。

 

1965年9月17日，中国科学家在世界上第一次用人工方法，合成了与天然胰岛素分子化学结构相同，并具有完整生物活性的蛋白质——结晶牛胰岛素，标志着人类在认识生命、探索生命奥秘的征途中迈出了里程碑式的步伐。这一原创性的工作，开辟了人工合成蛋白质的时代。

 

我国科学家在非常困难的条件下率先获得这一成果，令世界震撼。相关论文公布后，许多国际同行纷纷来信来电，祝贺中国做出一项“可以得诺贝尔奖”的工作。

 

在人工全合成结晶牛胰岛素50周年之际，国家自然科学基金委和中科院联合主办的《生命科学》杂志刊发专辑，约请当年参与人工全合成结晶牛胰岛素工作的老科学家撰写回忆文章，还搜集整理了其他与此项目有关的文章和史料。本刊选编其中珍贵而生动的故事，让读者从不同维度，了解当时人工合成结晶牛胰岛素工作的全貌。

 

胰岛素的分子结构

 

胰岛素是由A、B两条肽链构成的蛋白质，A链有21个氨基酸，B链有30个氨基酸。A、B两条链之间，有两个硫硫键，A链上另外还有一个硫硫键。

 

天然胰岛素是动物胰腺的分泌物，有调节糖代谢、降低血糖的功用。不同动物的胰岛素有种属差异性。

 

1965年中国科学家首次在世界上用人工方法合成的胰岛素是牛胰岛素，其结晶形状、层析、电泳、酶解图谱均与天然的一致，活性达到87%。这些数据证明，我国科学家的工作非常出色，在世界该领域遥遥领先。

 

我们完成了“不可能”的任务

 

王应睐（1907-2001）

 

生物化学家。在人工合成结晶牛胰岛素工作中担任首席领导。

 

1955年，当桑格第一次阐明胰岛素化学结构的时候，英国《自然》杂志预言：“合成胰岛素将是遥远的事情”。说实在的，他们的预言并不很保守。但是谁能想到，仅仅3年的时间，中国人就做出了敢于跨越这个“遥远”的决定。

 

我们闯过了许多异乎寻常的难关，做了前人所没有做的事情。首先是氨基酸的大量供应问题。我们从无到有地生产出十几种氨基酸，结束了国内不能自制整套氨基酸的历史。

 

其次是多肽的合成问题。50年代末，我国只有合成8肽的基础，国际上也只能合成13肽；而我们要合成的肽链，一条是21肽，一条是30肽。

 

第三，对于天然胰岛素的拆合工作，虽然国际上早有尝试，但我们着手解决这个问题的时候，国际上并没有成功的经验。

 

此外，在几百步的合成工作中，还有大量的保护基及其他试剂的制作和使用条件的摸索，合成工作中所需的一整套蛋白质分离和分析技术，也需要建立和提高。

 

总之，要我们攀登的“珠峰”不止一座。瑞典乌普萨拉大学生化研究所所长、诺贝尔奖获得者和诺贝尔评奖委员会主席蒂斯利尤斯1966年3月到生化所参观胰岛素工作时说：“美国、瑞士等在多肽合成方面有经验的国家未能合成胰岛素，也不敢去合成它。你们没有这方面的专长和经验，但你们合成了，这让我很惊讶。”他在归国途中，适逢我国第三次核试验成功，他就此事答《瑞典日报》记者时说：“核能力说明了新中国的进展，但更有说服力的是胰岛素；因为人们可以从书本中学习制造原子弹，但不能从书本上学习制造胰岛素。”

 

功不可没的无名英雄

 

叶蕴华（1936-）

 

1960年毕业于北大化学系。1964年作为北大科研组成员之一到上海，从事胰岛素合成的研究。

 

当年参加该项研究任务的大多数是年轻人，热情非常高，决心要赶在德国人和美国人之前完成胰岛素的合成。大家深知责任重大，必须全身心地投入工作。1964年初，季爱雪、李崇熙和我都有1岁上下的孩子需要人照顾。为了工作需要，我们克服个人困难，离开自己的家人到上海工作。

 

为了争取早日合成A链，我们没有周末，没有节假日，整天泡在实验室做实验或到图书室查阅文献。

 

当全合成论文在《中国科学》上发表时，没有人去计较作者的排列次序。北大化学系副系主任文重老师建议，根据大学毕业年限依次排列，即最早毕业的排在前面，毕业晚的排在后面。大家都没有提出异议。

 

1965年在《中国科学》杂志上发表的全合成的文章上署名共21人。事实上，北大化学系、上海有机所和上海生化所3个合作单位里在前期涉及该项研究的少说也有上百人。有些同事曾参加过一些胰岛素A链或B链中片段的合成，并发表了文章，为后来的研究提供了经验。但是最后的文章上却没有他们的名字，他们是功不可没的无名英雄。

 

科研辅助人员的贡献

 

张申碚（1937-）

 

曾中国科学院上海分院副院长、中科院上海生命科学研究中心副主任等。在人工合成结晶牛胰岛素工作时，为上海生化所研究实习员。

 

人工合成胰岛素的工作是由中科院上海生物化学研究所、上海有机化学研究所和北京大学合作的项目，由我国著名科学家钮经义、邹承鲁、汪猷、邢其毅院士领衔担纲的，他们都是我国生物化学界和有机化学界的泰斗，在他们带领下，一批中青年科学家成为科研攻关的主力。还有一批更为年轻的辅助人员承担了繁重的技术支持工作，在最后发表的论文中虽然未署上他们的名字，但他们的贡献仍是这一复杂工程中不可缺少的部分。

 

人工合成多肽的工作，要求提供高度纯净无水的有机溶剂。由于化学试剂商店能买到的产品均不能达到这一要求，课题组必须建立自己的溶剂处理队伍。

 

在研制过程中，科研技术人员克服了许多困难。中国科学院的实验条件，在当时国内应该说是不错的了，但也有许多不尽如人意的地方。生化所的毒气橱排风力都太小，一个人在实验中使用有毒有刺激性的化学药品，不仅同一房间的人要“有难同当”，就是附近的实验室，也得受“隔壁气”。

 

多肽合成中常需要用一种称为Cbz.Cl的氨基保护剂，合成这一试剂时，要用光气作为原料。光气能窒息人的呼吸系统，在战争中曾作为化学武器使用。为了合成这一重要的原料，研究所请求兄弟单位和化工厂的支持，提供必要的工作条件，即使如此，还免不了要吸进少量的毒气。

 

在实验规模较小时，我们也在实验大楼的屋顶平台上做实验，利用大气来稀释毒气。除了光气实验外，其他有毒气体的实验也常在屋顶进行。还有，多肽合成常用的缩合剂（简称DCCI）对有些人会产生严重的过敏反应，出现脸部水肿。但这些困难都被我们克服了。

 

敢冒风险

 

张友尚（1925-）

 

作为研究生参与了人工合成结晶牛胰岛素工作。2001年当选中科院院士，现为中科院上海生科院生物化学与细胞生物学研究所研究员。

 

二十世纪五六十年代，我国科学家人工合成胰岛素成功。这项工作是在特定的历史条件下提出来的。在那时，要在实验室人工合成以胰岛素为代表的蛋白质，的确是一个很大的挑战，有很大的风险。值得庆幸的是，通过许多人的共同努力，这项工作并没有半途而废，而是胜利地完成了。

 

胰岛素的重合成前人已作过许多尝试，结果都没有成功。但是杜雨苍等经过多次实验终于得到了有活力的重合成粗产物，活力水平达到天然胰岛素的5%~10%。这是重合成工作中的一次重要突破。下一步亟待解决的就是从粗产物中分离纯化重合成胰岛素。

 

1959年夏，我到漕河泾农场劳动一个月。劳动还没有结束就提前回所了，给我的任务是分离纯化重合成胰岛素。对我而言，这是一个挑战，也是一个机遇。当时分离纯化蛋白质的方法和条件远不如现在这样先进，更何况在重合成反应中可能产生的副产物又十分复杂，因此这个任务对我而言是十分艰巨的。

 

能不能完成只有通过反复实践。在实践中我们发现一种酸性仲丁醇溶剂，能从粗产物中选择性地抽提出重合成胰岛素。这是一个简单而有效的纯化方法，而且将抽提液调到中性，可以方便地将纯化的重合成胰岛素再转移到水溶液中，再将溶液对一种适于胰岛素结晶的溶液透析就可以得到重合成胰岛素的结晶。

 

当我在显微镜下第一次看到闪亮而美丽的重合成胰岛素结晶时，心中无比兴奋。通过结晶，重合成胰岛素的纯度又有大幅度的提高，活力已接近天然胰岛素的水平。更加重要的是，重合成胰岛素的结晶回答了一个悬而未决的问题，即人工合成的胰岛素会不会是没有天然胰岛素空间结构的变性蛋白质。从两条变性的链可以得到重合成胰岛素的结晶，充分证明了这样一个原理：只要分子的一级结构正确，就能形成天然胰岛素所特有的高级结构或折叠。

 

天然胰岛素的重合成为胰岛素人工合成铺下了一条通向成功的道路。在胰岛素人工合成中，我能有机会作为一颗铺路石子，是十分幸运的。

 

中国为何能超前

 

杜雨苍（1932-2006）

 

中科院上海生物化学研究所研究员。主要从事蛋白质化学和多肽生物学研究，在人工合成结晶牛胰岛素中作出重要贡献。

 

胰岛素一直是人类探索生命奥秘的敲门砖。它的发现、医疗作用、生理功能、结构研究直到它被用于基因工程生产（现在被称为“生物工程”），每次都震动世界，因为这些成就每个都堪称分子生物学发展的里程碑和人们在认识生命本质过程中的重大事件。科学家们围绕胰岛素的研究，多次获得诺贝尔奖。不管人们对合成蛋白质的科学重要性的认识有何等差异，在生化科学发展的长河里，胰岛素注定要在20世纪60年代被人们化学合成，因为它的化学结构在1955年已被一个名叫桑格的英国科学家阐明。虽然《自然》杂志在报导桑格获得诺贝尔奖时说过“要合成胰岛素，还不是近期所能”，但后来的事实证明，许多科学家私下都在跃跃欲试了。

 

在当时我国实验条件相对较差的情况下，要想攀登或最先登上这一高峰而没有人们积极性的最大发挥，也是不能想象的。为了祖国的荣誉，老科学家和中青年科研人员发扬百折不挠和日夜奋战的精神，相互理解和精诚团结，为求得科学真理可争得面红耳赤，关键问题上相信党的英明决策等等，这些都构成了1965年我国在世界上首先合成胰岛素成功的主观和精神因素。

 

回顾这一艰巨历程，应该能从中发现一些该摒弃和该继承的东西。当年，张劲夫代表科学院领导号召科学界的青年要“安、钻、迷”，虚心向老科学家学习，掌握才能为国作贡献。当年的青年的确这样做了。

 

胰岛素工作时没有市场大潮冲击，人们只知道没有国家的绝对支持，纯理论研究就无法完成。科学不存在未卜先知，一旦能“先知”，就不成为重大发现。伟大的发明和发现似乎常常眷顾那些对科学执着甚至显得顽固的人。真理有时掌握在少数人手里。谁也无法预先挑选出这个正确的“少数”。

 

科学上也不存在只有理论意义没有实际应用前途的理论，只是实现的时机是否成熟。自从胰岛素被人工合成以来，先后有催产素、抗利尿素、促性腺激素释放素和降血钙素等一系列多肽药物在我国的应用。现在，经过化学改造的合成肽类物质已显现出对某些癌症、不孕症、骨质疏松症以及脑神经退化病变有极良好的应用前景。

 

当然，理论成果转化和成果的推广应用也并非都能那么顺利。至今多肽在临床上的应用优势还未被充分认识，有待各方面的努力。

 

合成胰岛素的后勤部

 

陈远聪（1928-）

 

1950年代初在中科院上海生理生化研究所从事生化试剂合成工作，后受命与同事合作组建东风生化试剂厂，为合成胰岛素提供了关键的氨基酸原料。

 

1959年1月，我奉生化所王芷涯同志之命从北京大学返回生化所，和谭佩幸一道负责东风厂的组建工作。东风厂建于1958年底，主要为人工合成胰岛素生产氨基酸。

 

胰岛素有A和B链，共由51个氨基酸组成，约有17种不同的氨基酸。当时国内只能生产纯度不高的甘、精、谷3种氨基酸，其余14种需要进口。由于封锁和禁运，当时生化试剂需从香港转运，不但要花费昂贵的外汇，周转时间也很长。

 

合成胰岛素必需有源源不断的氨基酸供应，因此，只能走自力更生、奋发图强的道路。所以科学院决定组建东风厂，由当时的生化所各研究组抽调一部分科技人员作为生产骨干；招收10多名中学毕业生和复员转业军人做生产工人，共约30人；拨出大楼的几间实验室和科学院16楼的两间办公室做生产车间，生产小组有分离、提取、合成、分析4个小组。作为专家下厂指导的钮经义和沈昭文，帮助建立离子交换层析法纯化氨基酸和纸层析法鉴定氨基酸纯度。

 

人工合成胰岛素需要有高纯度的氨基酸原料，不能含有杂质。50年代的氨基酸生产，除谷氨酸是用微生物发酵大规模生产外，其余都是从天然生物材料中提取的，如从蛋白质水解液中18种氨基酸混合物纯化出高纯度单一的氨基酸，难度大，成本高，因而价格昂贵。

 

自己生产氨基酸为国家节约了大量外汇，办厂一年来，我们为国家节省了数十万元的开支。