七年坚持不懈 人工合成胰岛素登顶化学合成之巅

  • 日期:09-19
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原标题:七年来不断努力将胰岛素合成到化学合成的顶端

1958年,诺贝尔化学奖被授予分析胰岛素的化学结构。《自然》评论说胰岛素合成将是一件遥远的事情。

也许与此同时,遥远的中国已经正式开启了这种“遥远”的东西合成胰岛素。

几年后,由生物化学研究所,中国科学院有机物研究所和北京大学精英技术力量组成的中国团队成功锁定了“远程”七年。后来,《科学》杂志发表了几页长评,题为《红色中国的胰岛素全人工合成》。

国际学术界有多远?完整的胰岛素分子由51个氨基酸组成,可以理解为51个“谜题”,但与物理谜题不同,每个片段和另一个片段可以通过化学键的“吸引力”组合,从而产生无限的可能性。研究人员必须“阻止”错误的组合,同时也探索权利组合的最佳条件。此外,对于化学合成的多肽,“51”是当时的天文数。

有许多困难使这个“遥远”无法触及。然而,中国一直使用七年的坚持不懈来通过人工合成胰岛素来实现化学合成。

出口“A,B”道路

这条道路在理论上被外国科学家证明是不可能的。 “胰岛素是一种蛋白质,不仅分子量大,而且结构非常复杂。分子中含有三对二硫键(-SS-)。胰岛素合成涉及有机合成,化学和生物分析,生物其工作量很大,生物化学和有机化学领域的难度是前所未有的,“参与合成胰岛素研究的北京大学教授叶云华说。

胰岛素的一级结构看起来像两层“衣架”,上部手柄是二硫键,上部链(A链)和下部链(B链)由两个二硫键组成。连接。

美国化学家科斯曼从相对概率的角度进行了计算。如果A链和B链用作组分,A链和B链不仅可以在A1B1中组合,而且可以以各种可能的方式组合,例如AnBm。结合起来,这使得A链和B链具有无限多种可能性的“随机碰撞”,并且相应地,正确的胰岛素结构的可能性是最小的。这些证据和其他试验的失败使得西方学者对合成胰岛素持悲观态度。

和平的人往往是对的,乐观主义者往往会成功。

中国队的乐观情绪不是被动的。叶云华回忆说:1959年初,上海生物化学研究所的杜宇仓和张友尚开始探索天然胰岛素的分离和重组。 1959年3月,在他们的拆解和联合研究失败后,有一个好的迹象:再氧化和拆解后胰岛素A和B链的混合物可以表现出0.7%-1%的天然胰岛素活性。

事实胜于雄辩。混合物的可行性远高于概率分析。通过在适当条件下氧化还原的A和B链,可以将生物活性恢复高达50%。在1961年发表的一篇相关论文中,研究人员明确表示“完全苄化的胰岛素衍生物可以恢复活力这一事实表明胰岛素最终可以通过人工合成的A链和B链合成。”

“从当时的国际学术环境来看,虽然20世纪50年代蛋白质的合成成为当时生物化学领域的研究热点之一,但探索工作仅限于少数人。合成蛋白质的研究还处于起步阶段。“中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所所长刘晓龙表示,胰岛素的合成不仅是一项开创性的工作,也是一项突破性的开创性工作。

活动!活性!活性!

1965年9月17日,上海岳阳路320号触动了参与这项研发工作的每一个人的心,但只有少数人能够进入现场。

“石涛涛代表北京大学,张伟军代表少数人,如有机研究所和生化研究所杜玉仓。其他人只能在实验室外等待结果。”叶云华还记得当他无法进入现场时的焦虑。

最后,杜玉仓走出实验室,拿着晶莹剔透的合成人造合成牛胰岛素晶体。在成功合成现场的经典照片中,小鼠在注射天然胰岛素和合成胰岛素后出现抽搐,研究人员记录了他们的惊厥时间和状态,小鼠惊厥证明合成胰岛素具有天然胰岛素活性。

一系列试验最终证明,中国团队人工合成了世界上第一种与天然胰岛素分子具有相同化学结构的蛋白质,具有完整的生物活性,生物活性达到天然胰岛素的80%。

“胰岛素合成是一项复杂的系统工程。它是一种生物活性蛋白质,由51种氨基酸通过200多种化学反应合成。合成中的每一步都影响最终的成功或失败,因此对每一步的反应都必须严格检查。每个步骤的产品都是严格限定的,然后才能开始下一步。“叶云华说。

活性取决于每个分子组的状态和位置,因此人工合成的每个步骤都是对分子基团进行操作,其精度要求可以想象,外部条件,溶液浓度等。这是不可能的将池分成两半,任何步骤确定之后的“活动”。

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。

(责编:赵竹青、乔雪峰)

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