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
