往事回眸
王应睐所长谈牛胰岛素的人工合成

王应睐 (1907-2001),福建金门人,生物化学家,中国现代生物化学主要奠基人和分子生物学开拓者,中国科学院院士,主要从事酶化学与营养代谢研究。曾任中国科学院原上海生物化学研究所首任所长,名誉所长,中国科学院原上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所研究员、中国科学院上海分院院长。他是中国生物化学科学研究工作的卓越决策者和领导人,在他的组织和领导下,1965 年和1981 年,中国在世界上分别首次完成具有生物活力的人工全合成结晶牛胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸的两项重大基础性工作,使中国人工合成生物大分子的水平保持世界领先水平,为中国生化事业发展做出了不可磨灭的贡献。

1965年917日,世界上第一个人工合成的蛋白质——牛胰岛素在中华人民共和国诞生了。消息传出,在国内外引起强烈反响。19664月进行了鉴定会。会议期间,中国科学院郭沫若院长和参加工作的人员合影。1982年,国家科委为这项成果颁发科技成果一等奖。在国际上,许多朋友在看到发展的论文时,即来信来电热烈祝贺。祝贺中国作出一项“可以得诺贝尔奖金”的工作。有的通讯社做了长篇报道,有的报刊以显著版面发布消息和评论。196681日在华沙召开的欧洲生物化学学会联合会第三次会议上,中国人工合成胰岛素成了会议的中心话题。英国分子生物学家,诺贝尔奖金获得者、胰岛素一级结构的阐明者桑格(FSanger)博士特别兴奋。他说:你们合成了胰岛素,也解除了我思想上的一个负担。”原来,当时有人对他1955年提出的胰岛素一级结构的部分顺序表示怀疑。

牛胰岛素的合成之所以引起这样强烈的反响,是因为:

1、 我们的合成产物,各项指标均过硬。胰岛素,是由51个氨基酸所组成的两条肽链构成的蛋白质。这两条链分别叫做A链和B链。A21个氨基酸,B30个氨基酸。AB两条链间有两个硫硫键,A链上另一个硫硫链。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。其主要表现是A链第8910位的氨氨基酸及B链氨端区和羧端区的氨基酸有所不同。我们所合成的胰岛素是牛胰岛素。我们的合成物的结晶产物,其结晶形状(图4)、层析、电泳、酶解图谱均与天然的一致,活力为87%。这些数据雄辩地说明,我们的工作非常出色,在世界上遥遥领先。

2、 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。1955年,当桑格第一次阐明胰岛素化学结构的时候,英国的《自然》杂志预言,“合成胰岛素将是遥远的事情”。实在说,他们的预言并不很保守。但是,谁能想到?仅仅三年的时间,中国人就敢于做出跨越“遥远”的决定。我们首先遇到的是氨基酸的大量供应问题。生化所组织了技术小组,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年代末期,我国只有合成8肽的基础,国际上也只能合成31肽;而我们要合成的产物,一条肽链是21肽,一条肽链是30肽。第三,天然胰岛素的拆合工作。对于这个问题,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。第四,多肽合成和拆合工作中,还遇到三个硫硫键问题。此外,在几百步的合作工作中,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”不是一座,也不是几座。瑞典乌普萨拉大学生化研究所所长、诺贝尔奖金获得者和诺贝尔奖金委员会主席蒂斯利尤斯19663月到生化所参观了胰岛素的工作。在参观上,他说:“美国、瑞士等在多肽合作方面有经验的国家未能合成它(指胰岛素),也不敢去合成它。你们没有之方面的专长和经验,但你们合成了,你们是世界第一,这使我很惊讶。”回去后给曹天钦教授来信,又一次表达了同样的赞叹之情。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。”

3、 是人类认识生命历程中的一个划时代进步。多少年来,人们通过各种手段,沿着不同路线,艰难地提示着生命的奥秘。分子生物学在启开这个自然之谜中起着重要的作用。1828年,德国化学家维勒(FWöhler)用化学方法合成了尿素,这是第一个人工合成的有机分子,但这毕竟是个小分子。胰岛素的合成,则向人们宣布,人工合成蛋白质的时代开始了。蛋白质的性质与功能,不仅取决于它的一级结构,而且与它的高级结构有关。我们合成的胰岛素,活力在80%以上,这不仅说明,我们的合成物不仅一级结构和天然的相同,而且高级结构也与天然的一致。这就说明,蛋白质的高级结构取决于一级结构。这一结构,在分子生物学理论上,也是重大贡献。

4、 是唯物史观一个胜利。唯物主义者认为,生命是物质运动的一种形式,是非生命物质进化的结果,生命不是上帝创造的。蛋白质的人工合成,为唯物主义的生命观提供了一个证据。

伟大的成果,出自非凡的胆略和超常的奋斗精神。牛胰岛素的人工合成,是生物化学研究所、有机化学研究所、北京大学等单位并肩奋战的结果。

人工合成胰岛素,是1958年夏天由生物化学研究所提出的。当时,人们想对祖国做出大贡献。什么贡献才算大呢?当时提出三个方面的课题。一是有关肿瘤的;二是放射生物学方面的;三是基础理论研究课题。关于理论课题,有人主张搞结构,也有人主张搞蛋白质合成。所谓合成蛋白质,就只能是合成胰岛素,因为胰岛素是当时唯一已知结构的蛋白质。经过议论,最后决定搞胰岛素的合成。

与此同时,其他单位,如北京大学等,知道生化所准备合成胰岛素,也都想参加。1958年秋,生化所召集学术讨论会,北京大学、复旦大学、有机所等单位都有人参加。曹天钦做了合成胰岛素的选题调研报告。之后,生化所又派曹天钦、邹承鲁、王芷涯等同志到北京交流思想,组织协作。后来,北京大学也组织人力进行此项工作。

为了摸索合成路线,生化所兵分五路。一路是有机合成,由纽经义负责;二路搞天然胰岛素的拆合,邹承鲁负责;三路的任务是建立肽库和分离分析技术,由曹天钦负责;四路和五路分别做酶激活和转肽的工作,由沈昭文负责。所里的五人领导小组担任总指挥。领导小组成员是:曹天钦、王芷涯、张友尚、陈常庆、杜雨苍。经过实践,三、四、五三条路线被否定,兵力集中于一、二两条路线和分离分析工作。1960年初,杜雨苍、张友尚、鲁子贤、邹承鲁等用三个二硫键拆开的天然胰岛素进行组合获得成功,重组合产物的活力逐渐提高到50%,产物纯化后可以结晶,结晶形状与天然胰岛素相同。另外,杜雨苍、许根俊、鲁子贤和邹承鲁等又研究了合成的A链和B链连接为胰岛素分子的条件,为全合成开辟了道路。这一结果说明先分别合成AB两个肽链,然后进行组合的合成路线是可行的,也说明蛋白质的高级结构取决于一级结构。只要合成物的一级结构和天然的相同,就可以得到有活力的人工合成的结晶胰岛素。这个结果极大地鼓舞了所有参加胰岛素合成的同志。

196054日,中国科学院在上海召集生物学部会议,科学院副院长张劲夫派秘书长杜润生召集有关的研究所开会,决定组织人工合成胰岛素的大会战,生化所、有机所、生理所、实验生物所、药物所等五所400多人参加会战。王仲良任总指挥,边伯明任副总指挥,王应睐、汪猷任参谋长,曹天钦任副参谋长,“战场”指挥是李载平,王芷涯负责后勤保证工作。工作紧张热烈,日夜兼程,为以后的深入研究积累了经验。

19607月,杜润生同志指示说,大兵团作战,搞长了不行,应精干队伍。于是各种都相断调整。到196010月,队伍减到几十人,并恢复了所、室、组的正常建制。这时,生理所、实验生物所、药物所都已退出,科学院只剩生化所和有机所继续工作,研究所之间,由协作组协调。科学院指定王应睐为协作组组长,汪猷为副组长。有机所也从百十人缩减到二、三十人,到年底只剩下七人。次年,有机所有的同志主张把课题“送还生化所”,所长汪猷坚持不下马,领导着他的两个研究生继续工作。北京大学也结束了大兵团作战状态,人员锐减,最少时只有李崇熙、陆德培两位同志。

这段时期,正赶上我国三年困难,合成工作中的困难和矛盾,也暴露得更具体、更清楚了。许多实验在失败接着失败中重复,又加上美国和联邦德国相继发展了几篇文章,于是一些同志思想波动,想下马。这时候,党中央、国务院、科学院、教育部相继分别给了很大鼓励。1963年,在全国天然有机化合物会议上,由院数理化学部召集生化所、有机所和北京大学三个单位的领导开会,传达聂荣臻副总理的指示和决心。于是三个单位决定重新协作。北大的邢其毅教授,有机所汪猷所长和生化所的同志一起分析形势,认定美、德劲头虽大,但老是在改变方案,说明他们还没有找到正确的路子。我们的工作比他们领先,只要扎扎实实搞下去,肯定能走在他们前头。于是商定,由生化所合成B链,有机所和北京大学合作搞A链。A链合成由汪猷所长负责领导。

生化所的有机合成设在一室。钮经义任组长,主要工作人员是龚岳亭、黄维德、葛麟俊、陈常庆等。他们伯工作,既有继承性,也有开创性,而且以开创性为主。工作量很大,还得经常接触有毒的光气。经过艰苦努力,终于在1964年合成了B链。接着,生化所用天然的A链和人工的B链接合,也告成功。

A链的合成可分两个阶段,1964年以前是有机所单独进行的,1964年以后,是北京大学化学系和有机所协作合成。前一段为后一段积累了经验。后一段的收获中包括了前一段工作的辛劳。在A链的合成中,主要解决了如下几个问题。一是合成路线的选择。他们曾经用过5+16肽的路线,实践证明这个路线不好,主要是16肽溶解度太小,不易纯化。后提出9+12肽的路线,比较圆满地解决了合成路线的问题。二是缩合方案的创新。三是新的保护基团的应用。四是合成了同位素标记肽,为A链的合成提供了新的鉴定手段。五是摸到了纯化A链的最佳条件,提高了合成产物的得率。有机所参加胰岛素A链合成的人员除所长汪猷外,还有徐杰诚、张伟君、陈玲玲、钱瑞卿等。生化所的龚岳亭、张申碚也曾到有机所帮助工作。

北京大学于1963年完成羊胰岛素A6-10小环部分肽段的合成,当时,有机所也做A链,但他们做的是牛胰岛素A链,二者在A9上有一个氨基酸不同。为了消除这“牛羊之分”,北大化学系决定改做牛胰岛素A链,并派五名青年老师到上海协作,与有机所同志并肩作战。为此,19643月,北京大学化学系党总支副书记文重、邢其毅教授率领陆德培、李崇熙、季爱雪、施溥涛、叶蕴华到有机所讨论A链合成中的协作问题。会上,生化所同志也发表了重要意见,会议决定北京大学承担A1-9九肽的合成任务,有机所担任A10-21十二肽的合成。经过半年的努力,完成了A链的合成。用人工合成的牛胰岛素A链与天然的B链接合,获得成功。

至些,A链和B链的合成及牛胰岛素的半合成均告成功。A链和B链都分别积累了一定量产物后,开始了人工牛胰岛素的合合成。合成的牛胰岛素AB链连接成全分子并取得结晶的工作,由杜雨苍同志在邹承鲁教授的领导下进行。作第一次全合成实验即告成功。但活力很低,拿不到结晶。为此,需进一步改善合成方法。经过多次模型试验,试用各种不同的保护剂,试用各种抽提方法,经历多次失败,终于在1965917日得到更好的结果,宣告世界上第一个人工合成的蛋白质在中国诞生!

多年来,生物化学研究所、有机所、北京大学并肩作战,共发表论文25篇,其中生化所16篇 ,获得国内外一致肯定。

(本文原发表于《中国科技史料》1985年第1期,由于晨于198410月根据王应睐所长谈话记录及有关档案资料整理,王应睐审订)