往事回眸
汤卡罗:人工合成胰岛素的精神代代相传

    提起建国以来的科研成就,不少人就会想到人工合成结晶牛胰岛素,甚至有人将其与我国两弹一星的成功研制相提并论但是也有些人不以为然,以为人工合成胰岛素只不过是做了一个治疗糖尿病的药,没有什么了不起的,因为迄今为止在临床上广泛用于治疗糖尿病的主要药物就是由生物学方法提供的胰岛素制剂本文就人工合成胰岛素的意义,完成这个科学难题的曲折过程,以及在这个重大的科研项目中体现了什么样的精神,谈一些个人的粗浅看法

 

1人工合成胰岛素的意义

    要阐明人工合成胰岛素的意义,先要谈谈什么是胰岛素[1] 人和动物体内的胰岛素是一种由胰岛的细胞分泌的有激素作用的蛋白质人们对胰岛素的研究已经有200 多年的历史早在1788,Coroley 医生就观察到胰脏的功能与糖尿病有密切的关系而真正从胰脏中提取出胰岛素直至1922年才由加拿大外科医生F. G. BantingC. H. Best完成[2] 1952,Craig 测定单体胰岛素的相对分子质量接近6000(不同的生物有细微的差别,牛胰岛素的相对分子质量为5733),是相对分子质量最小的蛋白质之一[3] 英国科学家Sanger经过10年的努力,1955年测定了胰岛素的一级结构,确定胰岛素由51个氨基酸残基构成这些氨基酸残基按一定的顺序连成AB两条链,其中A链有21个氨基酸残基,B链有30个氨基酸残基,两链之间通过2 个二硫键相连,A 链中另有一个二硫键的内部连接这是人类第一次确定天然蛋白质的结构,为此他获得了1958年诺贝尔化学奖[45] 单单测定胰岛素的结构就用了10年时间,由此不难想象,用化学合成的方法把这么多氨基酸按一定顺序一个个连接成一个有生物活性的蛋白质该有多么困难所以,Sanger获得诺贝尔奖时,世界权威杂志Nature发表的评论说人工合成胰岛素还不是近期所能做到的[6]

    然而,我国科学家从1958年开始,经过6年多的努力,19659月成功地获得了人工全合成牛胰岛素的晶体[7] ,这是世界上第一个人工合成的具有生物活力的结晶蛋白质美国科学家在Science杂志上发表文章,介绍中国人工合成胰岛素领先于美国和德国[8] ,承认中国科学家是这场竞赛的赢家德国的H. Zahn教授在看到196511中国科学发表的全合成结晶牛胰岛素的简报后,很快来信祝贺我们第一次完成了结晶牛胰岛素的全合成,并多次在国外公开场合给予承认瑞士皇家科学院诺贝尔奖评审委员会化学组主席蒂斯利尤斯(A.Tiselius)1966年对人工合成胰岛素评价说:人们可以从书本中学到制造原子弹,但是人们不能从书本中学到制造胰岛素[6]

    早在1873,恩格斯就在自然辩证法一书中提出生命是蛋白体的存在方式,冶“如果有一天用化学方法制造蛋白体成功了,那末它们一定会显示生命现象,进行新陈代谢,虽然可能是很微弱的和短暂的[9] 人工牛胰岛素的合成开辟了人工合成蛋白质的时代,标志着人类在认识生命探索生命奥秘的征途中迈出了关键性的一步,从而成为我国自然科学发展史上的一个重要里程碑。它推动了一系列的相关课题,包括胰岛素晶体结构测定、胰岛素结构与功能关系研究,直至人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸等,促进了生命科学和相关学科的发展[10]

 

2攻克难题一波三折

    Sanger测定了胰岛素的一级结构后,1958年大跃进的形势下,我国科学家(主要来自中国科学院上海生化所和北京大学)大胆提出了人工合成胰岛素的课题,得到了国家领导人的支持。当时的条件可以说是“一穷二白冶,合成和分析所需要的设备、仪器以及很多种氨基酸、试剂、溶剂等都不能由国内生产,更缺乏有经验的专家。当时流行的口号是“敢想敢干冶,1959 年开始做一些前期工作,1960年初发展为“大兵团作战冶。北京大学化学系师生和少数生物系的师生共约300 人参加了这场科研会战。低年级的学生主要负责氨基酸和试剂的制备,溶剂的提纯等;高年级的学生则参与小肽的合成。大家夜以继日,24 小时两班倒,没有周末,没有节假日。当时我作为北京大学化学系大三的学生,先是参加了丝氨酸的提取,后又参与了AB链的拆合研究。据报道,正式参与过这个项目的至少有中国科学院上海生化所、有机所、药物所、北京大学、复旦大学等8个单位,估计参加过这项目的研究人员有几百人之多[6] 。这番违背科学规律的人海战术式的科研,除了巨大的浪费外,未有切实的成果。

    1960年底,我国的经济陷入了极度困难时期,中央决定对国民经济实行“调整、巩固、充实、提高冶八字方针。科学院和教育部领导也对科研工作进行了调整,“大兵团作战冶从此收兵。此后,生化所、有机所和北京大学化学系留下二三十名精干力量,坚持踏踏实实的研究,做出了一系列成果,发表了一些论文。

    1963年下半年,美国匹兹堡大学生物化学系的P. G. Katsoyannis副教授[11] 和原联邦德国羊毛研究所的H. Zahn教授[12] 先后以简报的形式宣布,他们合成了有微弱活性(相当于结晶胰岛素活力分别是0.5% ~1.2%0.5%~1%)的人工胰岛素。这些消息给我国研究者很大的震动———如果别人抢在我们之前做完了,那我们就前功尽弃了。经过分析,估计对手还需要一段时间才能完成全合成。

    为了与美国人、德国人争时间、抢速度,在国家科委的领导下,决定由北京大学化学系和中国科学院有机所、生化所集中在上海成立3支团队,协同作战:由北京大学化学系邢其毅教授带领的团队到上海有机所和汪猷教授带领的团队汇合,共同负责胰岛素的A链的合成;由上海生化所钮经义教授带领的团队继续合成B ;由上海生化所邹承鲁教授带领的团队继续负责拆合,提高AB链的重组活性。19643,在邢其毅教授与化学系副系主任文重老师的带领下,北京大学化学系有机教研室的陆德培、李崇熙、季爱雪、施溥涛和叶蕴华5位年轻教员克服了工作上、生活上的困难,奔赴上海。我作为邢其毅教授的研究生,也于19648月去上海参加这场科研协作。

合成胰岛素的工作量非常大,难度非常高。首先要设计合成的路线和方法,这是前人没有做过的事情,没有现成经验可以借鉴,都需要在实践中摸索。组成胰岛素的51个氨基酸,除了4个甘氨酸外,其他47个氨基酸都具有不对称碳原子,还有27个侧链官能团。合成这样大的分子,总共有200多步反应,官能团需要加以保护,而且每步都不能消旋。另外,其中一些大的肽段溶解度极低,必须寻找特殊的溶剂。做过化学合成的人都知道,每一步反应的得率在80% ~90%就很不错了,有时还达不到。所以往往最初的反应用几十克甚至上百克的原料,但到最后只得到几毫克甚至几微克的产品。不但工作量大,而且要步步紧扣,要对反应的产品进行分离纯化、分析鉴定。每得一个缩合产品都需要经过元素分析、红外光谱、旋光、层析、电泳、酶解及氨基酸组分的分析等严格鉴定,任何一项不合格,都需要进一步提纯后再分析,保证全部通过。参与这项工作的人员都非常努力,全心全意,一步一个脚印地干,每天工作到深夜,没有周末、没有节假日。

1 1979 年胰岛素组在北京大学十斋实验室做实验的场景

图中自左至右:汤卡罗、叶蕴华、李崇熙、邢其毅、季爱雪

    19648,上海生化所钮经义教授带领的团队成功地合成了人工B,同天然的A链相连接,得到了半合成的牛胰岛素[13] ;19655,北京大学和上海有机所联合团队成功地合成了人工A,同天然的B链相连接,也得到了半合成的牛胰岛素[14] ;与此同时,上海生化所邹承鲁教授的团队经过多年的研究,大大提高了AB链的重组收率,可以达到50% [15] ,为胰岛素的全合成提供了很好的条件。1965917,令人兴奋的时刻终于来临了——世界上第一个人工全合成的牛胰岛素晶体诞生了!

    国家科委先后两次组织著名科学家进行科学鉴定,证实人工全合成牛胰岛素的结构、生物活力、物理化学性质、结晶形状和天然的牛胰岛素完全一样。在漫长的国际竞争中,我们赢了!

 

3合成胰岛素团队的宝贵精神

    当年,我作为一名在校研究生有幸参加了这项重大的科研项目,虽然只有短短的一年多时间,但是得到了锻炼,学到了许多在书本里学不到的东西。人工合成胰岛素的精神鼓励着我,对以后的学习和工作起到了重要的作用,真是受益一生。

    (1) 敢做难题、勇攀高峰的精神。合成有生物活性的蛋白质是一项非常困难的、前无古人的科研项目,当时的研究基础和物质条件又都很薄弱,但是我国科学家不畏艰险,敢于攀登世界科学高峰的精神是非常伟大的,这样的精神值得现代科学工作者学习。我认为,搞科学研究不可急功近利,不能只选一些“短、平、快冶的课题,不可片面地追求论文的数量,要敢于啃硬骨头,持之以恒,终究能做出有分量的科研成果。

    (2) 顾全大局、团队协作的精神。胰岛素的合成在1964年以后的短短一年多的时间里就取得了成功,最重要的一条就是团队协作,集中优势兵力打歼灭战。胰岛素研究的开始阶段是各单位单独搞,甚至北京搞“北京牌冶的,上海搞“上海牌冶的。后来,我们在国际竞争中不分彼此,全国一盘棋,团结一致,一起搞“中国牌冶的。在团队协作中往往要牺牲一些小单位的利益,例如我们北京大学有机教研室,如果在北京大学搞研究,就可以建设我们自己的实验室,还可以兼顾本教研室的其他科研和教学工作。为了国家利益,我们做出了“牺牲”。团队协作搞大项目还可以培养人才。我当时作为研究生需要完成研究生的毕业论文,邢先生为我选择了相对独立的课题“牛胰岛素A 链带保护基的氨端九肽的合成冶,用自己合成的A链氨端前4A1-4和后5A5-9,用叠氮法缩合成九肽,其结果和其他同事用DCC法合成的九肽性质完全一样,收率还提高了[16]

    (3) 艰苦奋斗、不计名利的精神。我们这支专业科研队伍年轻,除了几位老专家,其余人的平均年龄不到30,敢想、敢说、敢干,刻苦钻研,努力工作,每天加班加点,几乎没有休息过周末和节假日。但是我们从来没有要过加班费和津贴,发表论文也从来不争排名,得到一点微薄的稿酬还都捐赠了。一些年轻教员结婚不久,孩子才一两岁,但是他们放下小家顾大家,一心扑在工作上。这样的精神值得现代的年轻人学习。

    (4) 严格认真、严谨求实的精神。与“大兵团作战冶不同,在胰岛素合成中,由于有老专家“严字当头,严格把关,年轻工作者都养成了严谨的科学作风。每做一个中间体都要有全面的分析数据,所谓“过五关、斩六将冶,来不得半点虚假和马虎。这样的科学作风伴随着我一辈子,在我以后的学习和工作中,一直这样要求自己,认真记好实验记录,严格要求每个产品的分析数据。我也这样要求我的一批又一批的学生,希望他们传承下去。

    人工合成结晶牛胰岛素已经过去50年了,我也退休多年,但是胰岛素的精神永远不会忘记,也不应该忘记。这些精神对现代的科研工作仍有现实意义,但愿这种精神发扬光大、代代相传,推动我国的科研事业取得更大的成果。

    本文得到北京大学的叶蕴华段连运孙亦丽三位教授和作者的弟弟汤毅坚的帮助,特此致谢

 

(本文原发表于《大学化学》第30卷第2期)

参考文献

[1] 叶蕴华. 大学化学,2011,25(增刊):19

[2] Best C H,Banting F G. Am J Physiol,1922,62:162

[3] Craig J J,Harfenist E J,Craig L C. J Am Chem Soc,1952,74:3087

[4] Sanger F. Biochem J,1955,60:556

[5] Harris J I,Sanger F,Naughton M A. Arch Biochem Biophys,1956,65:427

[6] 熊卫民,王克迪. 合成了一个蛋白质. 济南:山东教育出版社,2005

[7] Kung Y T(龚岳亭),Du Y C(杜雨),Huang W T(黄维德),Chen C C(陈常庆),Ke L T(葛麟俊),Hu S C(胡世全),Jiang R Q(蒋荣庆),Chu S Q(朱尚权),Niu C I(钮经义),Hsu J Z(徐杰诚),Chang W C(张伟君),Cheng L L(陈玲玲),Li H S(李鸿绪),Wang Y(汪猷),Loh T P(陆德培),Chi A H(季爱雪),Li C H(李崇熙) ,Shi P T(施溥涛) ,Yieh Y H(叶蕴华),Tang K L(汤卡罗),Hsing C Y(邢其毅). Total Synthesis of Crystalline Insulin. Sientia Sinica,1965,14:1710(简报);Sientia Sinica,1966,15:544(英文全文);科学通报,1966,17:241(中文全文)

[8] McElheny V K. Science,1966,153:281

[9] 恩格斯. 自然辩证法. 中共中央马克思恩格斯列宁斯大林著作编译局译. 北京:人民出版社,1971

[10]邹承鲁,梁栋材,王贵海,等口述. 熊卫民整理. 从合成蛋白质到合成核酸. 长沙:湖南教育出版社,2009

[11]Katsoyannis P G,Tometsko A,Fukuda K. J Am Chem Soc,1963,85:2863

[12]Zhan H. Z Naturforsch,1963,18:1120

[13]Niu C I(钮经义),Kung Y T(龚岳亭),Huang W T(黄维德),Ke L T(葛麟俊),Chen C C(陈常庆),Chen Y C(陈远聪),Du Y C(杜雨),Jiang R Q(蒋荣庆),Zou C L(邹承鲁),Hu S C(胡世全),Chu S Q(朱尚权),Wang K Z(汪克臻). Partial Synthesis of Crystalline Bovine Insulin from Synthetic BChain and Natural AChain . Scientia Sinica,1965,14:1386;科学通报,1965(8):722

[14]Wang Y(汪猷),Hsu J Z(徐杰诚),Chang W C(张伟君),Cheng L L(陈玲玲), Li H S(李鸿绪),Hsing C Y(邢其毅),Shi P T(施溥涛),Loh T P(陆德培),Chi A H(季爱雪),Li C H(李崇熙),Yieh Y H(叶蕴华),Tang K L(汤卡罗). Partial Synthesis of Crystalline Bovine Insulin from Synthetic AChain and Natural BChain. Scientia Sinica,1965,14:1887;科学通报,1965(12):1111

[15]杜雨,蒋荣庆,邹承鲁. 从胰岛素A B 链合成胰岛素郁. 生物化学与生物物理,1964,4:941;Scientia Sinica,1965,14:229

[16]汪猷,季爱雪,陆德培,李崇熙,施溥涛,叶蕴华,汤卡罗,邢其毅. 含半胱氨酸多肽的研究芋. 牛胰岛素A 链带保护基的氨端九肽的合成. 化学学报,1966,32:68