七年坚持不懈 人工合成胰岛素登顶化学合成之巅


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科技日报记者张家星

1958。胰岛素化学结构的分析获得诺贝尔化学奖。 《自然》评论说胰岛素的合成将是一件遥远的事情。

可能与此同时,遥远的中国正式启动了这个“遥远的”人工合成胰岛素的项目。

几年后,由生物化学研究所、有机化学研究所和北京大学主管技术力量组成的中国团队成功锁定“遥控器”7年。 后来,《科学》杂志发表了几页题为《红色中国的胰岛素全人工合成》的长篇评论。

国际学者认为距离有多远?一个完整的胰岛素分子由51个氨基酸组成,可以理解为51块“拼图”。然而,与立体拼图不同,由于化学键的“相互吸引”,每一块和另一块可以结合在一起,从而创造无限的可能性。 一方面,研究人员应该“阻止”错误的组合,同时探索促进正确组合的最佳条件。 此外,对于化学合成肽,“51”在当时是一个天文数字。

许多困难使这个“遥远”变得遥远。然而,中国已经用了7年的不懈努力通过合成胰岛素达到化学合成的顶峰。

涉出一条“a,b”路

这是一条被外国科学家证明理论上不可能的道路。 “胰岛素是一种分子量大、结构非常复杂的蛋白质。这个分子含有三对二硫键 胰岛素合成包括有机合成、化学和生物分析、生物活性等。 其工作量和难度在生物化学和有机化学领域是前所未有的。 参与合成胰岛素研究的北京大学叶云华教授说

胰岛素一级结构的分子式看起来像双层“衣架”。顶部手柄是二硫键,上链(链A)和下链(链B)通过两个二硫键连接

美国化学家考斯曼曾经从相对概率的角度计算出,如果将甲链和乙链用作合成元素,甲链和乙链不仅可以在A1B1模式下结合,还可以在AnBm和其他可能模式下结合,这使得甲链和乙链“随机碰撞”后有无限的可能性,因此正确胰岛素结构的可能性非常小。 这种证明和其他尝试的失败使西方学者对胰岛素的合成持悲观态度。

悲观主义者通常是对的,乐观主义者通常是成功的

中国队的乐观不是被动的水。 叶云华回忆说,1959年初,上海生物化学研究所邹承鲁研究组的杜宇昌、张尚友等人开始探索天然胰岛素的分离和重组。 在拆卸和组装研究中多次失败后,1959年3月出现了一个好迹象:再氧化的拆卸胰岛素的a链和b链的混合物可以显示出天然胰岛素0.7%-1%的活性。

事实胜于雄辩 混合物的活度比概率分析的活度高得多。 通过在适当条件下氧化还原的α和β链,生物活性的回收率可达到50% 在1961年发表的一篇相关论文中,研究人员明确指出,“完全苄基化的胰岛素衍生物能够恢复活力的事实表明,胰岛素最终可以通过人工合成的链a和链b合成”

”从当时的国际学术环境来看,尽管由于20世纪50年代的代表性工作,蛋白质合成成为了当时世界生物化学领域的研究热点之一,但相关的探索性工作仍然局限于少数人。 合成蛋白质的研究仍处于起步阶段。 “中国科学院上海生命科学研究所生物化学与细胞生物学研究所所长刘晓龙表示,胰岛素合成不仅是一项开创性的工作,也是一项违背潮流的开创性工作。

活动!活动!活动!

1965年9月17日,上海岳阳路320号触动了所有参与研发工作的人的心灵,但只有少数人能够进入现场。

“施溥涛代表北大,张伟君代表有机所与生化所杜雨苍等少数人进行实验,其他人只能在实验室外面等待结果。”叶蕴华仍然记得不能进入现场时的焦急心情。

终于,杜雨苍走出了实验室,手中捧着晶莹透明的人工全合成牛胰岛素结晶。一张经典的照片记录了合成成功的情景,小白鼠在注射天然胰岛素和人工合成胰岛素后均发生惊厥,研究人员记录它们的惊厥时间和状态,小鼠的惊厥证明了人工合成胰岛素拥有天然胰岛素的活性。

经过一系列的检测,最终证明,中国团队在世界上第一次人工全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,且生物活性达到天然胰岛素的80%。

“胰岛素合成是一个复杂的系统工程。它是由51个氨基酸通过200多步化学反应而合成的具有生物活力的蛋白质。合成中每一个步骤都会影响最后的成败,因此对每一步反应都必须严格把关。每一步的产物均经过严格鉴定合格后才能开启下一步。”叶蕴华说。

活性取决于每个分子基团的状态和位置,因此人工合成的每一步都是在对分子基团进行操作,其对精准度的要求可想而知,外界条件、溶液浓度等都不能差池半分,任何一步都决定之后的“活性”。

在没有高精度仪器辅助的情况下,在没有质谱、核磁共振等现代光谱分析手段作为“敏锐的眼睛”判断正误的情况下,一切都依靠科研人员的大国工匠精神。“玻璃滴管头拉得比发丝还细,以便精细调节溶液的pH值。”叶蕴华对一次合成A链时的实验操作记忆犹新,“粗调”后的“细调”是根据精细pH试纸的颜色,现场讨论是否要再多加一滴碱或一滴酸,项目组带头人汪猷亲临现场指导。

“在合成过程中,制备的大多数肽段均使用两种或两种以上不同的路线或方法,得到小肽后的分析数据的理论值虽然事先都经过仔细的计算,但是结果出来后,汪猷先生还要亲自再用计算尺(当时尚无计算器)复审。”叶蕴华说。

“一步出错即满盘皆输。”刘小龙用最精当的话语总结出这一研究的艰难险阻。

这绝非单纯的研究兴趣使然,也非一味追逐科学发展的前沿热点所致。1961年,时任国务院副总理的聂荣臻到生化所视察时表态:“你们做,再大的责任我们承担,人工合成胰岛素100年也要搞下去。”

“强烈的民族责任心、高度的国家使命感无疑是驱使科研人员敢于作为、勇于创新、不惧困难,立志为国争光的强大精神动力。”刘小龙说,“正是将国家利益置于首位,勇于为国担当,才使科研人员能够以超乎寻常的胆识做大我国科技事业发展的格局。”

提到人工合成胰岛素,国人总是纠结于它未曾得到诺奖认可。“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”,这句掷地有声的话语及其被强有力的执行说明了一切。可以说,人工合成胰岛素是一个诺奖难以诠释的协作成果。

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