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[上觀新聞]91歲科學(xué)家憶世界首次人工合成RNA:從做“環(huán)衛(wèi)工人”起步

來源: 時(shí)間:2024-08-08

曾有人說,如果把這項(xiàng)研究比作縫衣服,那么我們是從種棉花開始,而不是從買布開始。

言語之間,透出的是艱難和不易。

一個尋常的日子,91歲高齡、原中國科學(xué)院上海生物化學(xué)研究所(以下簡稱生化所)研究員祁國榮,向解放日報(bào)·上觀新聞記者回憶了這段頗不尋常的科研歷程——世界首次人工合成tRNA(酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸)。

祁國榮展示tRNA的三葉草二級結(jié)構(gòu)。黃海華 攝

完成于1981年的這一成果獲得1987年第三屆國家自然科學(xué)獎一等獎。國家自然科學(xué)獎一等獎經(jīng)常“寧缺勿濫”,第二屆獲此殊榮的是世界首次人工全合成牛胰島素等項(xiàng)目。

在上海建設(shè)“有全球影響力的科創(chuàng)中心”十周年之際,回望這一合成生物學(xué)領(lǐng)域的里程碑事件,別具意味。

人工合成牛胰島素后,下一步該做什么

1965年,我國在世界上首次人工合成蛋白質(zhì)——牛胰島素。當(dāng)時(shí),距離“胰島素結(jié)構(gòu)的解析”獲諾貝爾獎僅僅過去了7年,國際上本來普遍認(rèn)為“合成胰島素將是遙遠(yuǎn)的事情”。

受到激勵的中國科學(xué)家開始思考下一步該做什么?“那時(shí)候我們都很年輕,思想都很解放,在座談會上討論得非常熱烈?!逼顕鴺s說,當(dāng)時(shí)甚至想過合成病毒蛋白,但以當(dāng)時(shí)的科研條件幾無實(shí)現(xiàn)的可能。

最終,核酸進(jìn)入了科學(xué)家的視野。核酸是DNA(脫氧核糖核酸)和RNA的總稱,與蛋白質(zhì)同為生命活動的最基本物質(zhì)。當(dāng)時(shí),所有的天然核酸分子都直接產(chǎn)生于有機(jī)體,一直無法人工合成。當(dāng)時(shí)尚無任何一個DNA分子的序列被測定,因此不可能成為合成對象。大家在討論時(shí)自然想到RNA中分子最小的轉(zhuǎn)移核糖核酸t(yī)RNA,美國科學(xué)家霍利的實(shí)驗(yàn)室在1965年完成了世界首個tRNA分子的測序,而且該分子具有明確的生物功能——可與丙氨酸結(jié)合并將其帶到核糖體上合成蛋白質(zhì)。

就這樣,在1968年,我國科學(xué)家在北京和上海分別成立了兩個研究團(tuán)隊(duì),啟動人工合成酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸項(xiàng)目。1977年,中國科學(xué)院成立協(xié)作組,協(xié)調(diào)京滬兩地工作,由時(shí)任生化所所長王應(yīng)睞任組長,時(shí)任生化所核酸研究室主任王德寶任學(xué)術(shù)組組長。

王應(yīng)睞(前排中)、王德寶(前排右)、陳常慶(前排左)討論人工合成核酸工作。

“最初,王德寶先生從科學(xué)角度對于選擇核酸有所擔(dān)心。”祁國榮回憶。王德寶曾赴美學(xué)習(xí),并在諾貝爾獎獲得者考瑞的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)修。新中國成立后,他克服種種阻撓回國,創(chuàng)建了我國第一個核酸研究室,1980年當(dāng)選中國科學(xué)院學(xué)部委員(院士)。

王德寶的擔(dān)心不無道理——人工合成核酸太難。首先,產(chǎn)率極低,原料要以噸來計(jì),副反應(yīng)多;其次,合成胰島素所用的都是天然原料,而合成核酸要用到9個稀有核苷酸,光是這種原料的合成難度就相當(dāng)高。事實(shí)上,在20世紀(jì)80年代,日本和加拿大等國科學(xué)家此后合成的RNA,都不含稀有核苷酸。嚴(yán)格地說,這些只是RNA類似物,并不是完整的天然分子;即使到了1992年,法國科學(xué)家合成的RNA也仍然只有3個稀有核苷酸。

但是,稀有核苷酸對于RNA的活性至關(guān)重要,這是我國與國外同類研究的最大差別,也是本質(zhì)差別。

國外同行驚嘆,簡直不可思議

那就只有迎難而上了!

首先要生產(chǎn)出核苷酸,這是合成所需的基本原料。以假尿苷酸為例,它在人尿中含量較高?!拔覀兿仍诠矌占?,但由于用量太大,也為了避免帶菌,就找到上海警備區(qū)合作,定期去拿,再用卡車?yán)缴虾T噭┒S??梢哉f,我們的研究是從做‘環(huán)衛(wèi)工人’起步的?!逼顕鴺s笑著說。

時(shí)任該項(xiàng)目勤務(wù)組副組長的孫融融曾回憶,剛開始生產(chǎn)核苷酸時(shí),由于沒有收集器,必須派人在旁邊白天黑夜盯著,大約每隔40分鐘就要換一個桶,再拿去化驗(yàn)。

研究團(tuán)隊(duì)在短時(shí)間內(nèi)提供了各種RNA片段以探索最佳合成條件,這在當(dāng)時(shí)是不多見的。時(shí)任該項(xiàng)目總裝合成組組長的原中國科學(xué)院上海細(xì)胞生物學(xué)研究所研究員包永德曾回憶,那時(shí)候條件非常艱苦,連RNA水解酶的抑制劑也沒有,國外同行后來獲悉都驚嘆——不用RNA酶的抑制劑來合成RNA簡直不可思議。

最讓祁國榮難忘的,是用RNA連接酶進(jìn)行酶促合成,“這是最大的創(chuàng)新,也是在國際上最被認(rèn)可的?!碑?dāng)時(shí),化學(xué)合成遇到困難,王應(yīng)睞和王德寶給一位美國科學(xué)家寫信,拿到了RNA連接酶的菌種。經(jīng)過努力,研究人員終于制備出了高質(zhì)量的RNA連接酶。

“1980年我去英國時(shí),國際市場上只有一個公司的DNA連接酶在質(zhì)量上能過關(guān),RNA連接酶的質(zhì)量就更加不用說了?!卑赖略缡腔貞洝?/p>

研究人員摸索出了“半分子合成方案”,即分別合成兩個半分子,再連接成完整分子。合成的半分子只有幾毫微克,關(guān)鍵是看連接而成的完整分子是否有生物活性。

1981年11月20日傍晚,上海岳陽路320號大院迎來了歷史性的一刻。研究人員一直緊盯著液體閃爍譜儀上跳動的數(shù)字,當(dāng)同位素計(jì)數(shù)顯示該分子確實(shí)具有生物活性時(shí),現(xiàn)場一片歡呼。

此次人工合成得到的RNA分子與天然分子結(jié)構(gòu)完全相同,具有高達(dá)70%-80%的生物活性。在日本和加拿大的類似研究中,其活性分別只有天然的6%和11%;法國科學(xué)家1992年合成的RNA,其活性也只有天然的42%。

上海進(jìn)入合成生物學(xué)國際競爭快車道

這是繼我國在世界上首次人工合成蛋白質(zhì)后,又在世界上首次人工合成一個完整的核酸分子。作為中國合成生物學(xué)史上的重大科研成果,其推動了核酸學(xué)科的進(jìn)步,也促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

這一歷時(shí)13年的研究,先后參與的有180人之多。由于中國當(dāng)時(shí)所處的特殊歷史環(huán)境,這項(xiàng)工作在1978年之前進(jìn)展緩慢,之后經(jīng)過調(diào)整,中國科學(xué)院保留4個研究所繼續(xù)參與,即生化所、上海細(xì)胞生物學(xué)研究所、上海有機(jī)化學(xué)研究所和位于北京的生物物理研究所。此外,北京大學(xué)生物系和上海試劑二廠也參與了這一工作。

“中國科學(xué)家歷盡艱難取得這一科學(xué)成就,至今回憶起來仍使人感到振奮?!逼顕鴺s說。他從項(xiàng)目之初就參與這一工作,1978年后服從安排回到單位從事RNA的催化功能研究,沒能親眼見證歷史性的那一刻。

“我不感到遺憾,我這一輩子都在做RNA的研究?!边@位鮐背之年的科學(xué)家,看上去比實(shí)際年齡要年輕許多,總是面帶著微笑。

這一“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”之后,唯有生化所(現(xiàn)為中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心)對RNA“情有獨(dú)鐘”,持續(xù)開展了一系列研究,如今已成為國際上頗有聲譽(yù)的RNA研究重鎮(zhèn)。

當(dāng)下,合成生物學(xué)是推動新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展的關(guān)鍵力量。它打破了傳統(tǒng)生命科學(xué)的界限,是新一輪國際生命科學(xué)技術(shù)研究的前沿焦點(diǎn)和必爭之地。

預(yù)計(jì)到2025年,全球合成生物學(xué)與生物制造的經(jīng)濟(jì)影響將達(dá)到1000億美元。美國近年來連續(xù)發(fā)布了“半導(dǎo)體合成生物學(xué)”等多個科技路線圖,合成生物學(xué)在《2021美國創(chuàng)新與競爭法案》中位列關(guān)鍵競爭技術(shù);英國在2012年就制定了合成生物學(xué)國家路線圖,2016年發(fā)布合成生物學(xué)戰(zhàn)略計(jì)劃。

我國在《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中多次提及合成生物學(xué),將其視為國家戰(zhàn)略科技力量之一。上海,作為我國合成生物學(xué)發(fā)源地之一,已進(jìn)入國際競爭快車道。

在上海打造“有全球影響力的科創(chuàng)中心”十周年之際,追憶我國科學(xué)家首次人工合成RNA的這段歲月,既是重溫,也是汲?。豪щy中進(jìn)取,創(chuàng)新中出發(fā)。

原載于上觀新聞 2024-08-08

作者:黃海華

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