戴立信(1924—2024)，有機化學(xué)家，中國科學(xué)院院士，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師。主要在高選擇性有機合成反應(yīng)，特別是不對稱合成方面開展研究。
丁奎嶺(1966—)，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師。有機化學(xué)家，中國科學(xué)院院士，現(xiàn)任中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所所長。主要從事手性催化和綠色合成領(lǐng)域的研究。
朱晶(1981—)，華東師范大學(xué)哲學(xué)系副教授。2008 年獲北京大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位。研究方向：化學(xué)史，科學(xué)方法論。
戴立信，丁奎嶺，朱 晶
1965年9月17日，中國科學(xué)院上海生物化學(xué)研究所(生化所)、北京大學(xué)化學(xué)系和上海有機化學(xué)研究所(有機所) 的科學(xué)家宣布獲得人工合成的牛胰島素結(jié)晶。關(guān)于人工合成結(jié)晶牛胰島素，有從國家與科學(xué)、政治運動與科學(xué)、大科學(xué)時代的科學(xué)等各種視角對其進行的細致探討，但若將這項成就置于人類理解生命的歷程中進行考察，探討化學(xué)合成領(lǐng)域的變革與生命科學(xué)的發(fā)展之間的關(guān)系，探討中國的科學(xué)家在特殊時期對科學(xué)精神的理解和推動，人工合成牛胰島素在合成科學(xué)層面以及在中國科學(xué)發(fā)展進程中的意義，則以一種特殊的方式凸顯出來。
1 合成具有生理活性的大分子
生命的過程歸根到底就是生物體內(nèi)一系列的化學(xué)變化過程。在今天，不論是物理學(xué)、生物學(xué)還是醫(yī)學(xué)、化學(xué)都是這些“理解化學(xué)變化的學(xué)科”的基礎(chǔ)，是一門中心科學(xué)。而在人類認識生命的歷程中，因為合成科學(xué)，科學(xué)家對生命科學(xué)的理解發(fā)生了幾次重要的變化。
1828年德國化學(xué)家維勒(Friedrich W?hler) 合成尿素，首次實現(xiàn)了從無機物合成有機物，改變了有機物只有生命體或是通過“生命力”才能產(chǎn)生、而人工是無法合成的觀點，這是合成化學(xué)與生命科學(xué)第一次被聯(lián)系在一起。
但是生命畢竟是極其復(fù)雜的體系，而尿素又過于簡單，因此生命力學(xué)說并未退縮。在當(dāng)時的認知程度上，巴斯德(Louis Pasteur) 在1851年又提出了不對稱性是在生物的和非生物的化學(xué)之間唯一的明確的分界線。對稱的物理力或化學(xué)力被認為不能產(chǎn)生分子的“不對稱性”。但是在20世紀60年代，日本的野依良治(Ryoji Noyori) 和美國的羅伊斯(William S. Knowles) 采用了非對稱的化學(xué)力，相繼在不借助任何生物條件下實現(xiàn)了不對稱催化反應(yīng)，創(chuàng)造了分子的不對稱性。而這樣的不對稱催化反應(yīng)，過去認為只有自然界的酶才可能實現(xiàn)。又經(jīng)過發(fā)展，現(xiàn)在有的不對稱催化反應(yīng)的效率已經(jīng)超越了生物酶的活力。
另一方面，費歇爾(Emil Fischer) 在20世紀初首先提出氨基酸通過肽鍵結(jié)合形成多肽的觀點，確定了蛋白質(zhì)分子的氨基酸基本骨架，邁出了用化學(xué)合成來實現(xiàn)從氨基酸到蛋白質(zhì)的第一步。
接下來的問題是，能不能合成一種物質(zhì)，能夠產(chǎn)生生理活性呢，但問題并不簡單。有的氨基酸上有多個活性基團，到20世紀50年代初，才只有五、六個氨基酸聯(lián)結(jié)的肽段，直到1953年迪維尼奧(Vincent du Vigneaud) 將有機化學(xué)的研究成果成功地應(yīng)用于生物化學(xué)和生理學(xué)領(lǐng)域，從氨基酸出發(fā)合成了第一個天然多肽激素——催產(chǎn)素，并且合成得到的催產(chǎn)素展示了應(yīng)有的生理活性。這雖然只是一個九肽，卻提供了人工合成更復(fù)雜的含硫多肽的途徑。但九肽催產(chǎn)素畢竟還是一個人們公認的小分子，分子量約為1007。1955年，桑格(Frederick
Sanger) 完成了胰島素(第一個蛋白質(zhì)) 的測序工作，使它成了一種可能合成的對象。但因為胰島素有空間結(jié)構(gòu)，即使克服巨大的困難，合成了具有胰島素一級結(jié)構(gòu)的肽鏈，若不能把它折疊成既定的空間結(jié)構(gòu)，依然得不到具有生物活性的胰島素，因為當(dāng)時對生物大分子的高級結(jié)構(gòu)與初級結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系尚不明晰，胰島素的初級結(jié)構(gòu)是否含有決定天然分子活性結(jié)構(gòu)的信息等都是尚未解決的問題。在合成方法上，人工結(jié)晶牛胰島素的合成也極大地挑戰(zhàn)了科學(xué)家的智慧。因此，人工牛胰島素的成功合成，是合成科學(xué)方法上的重大進步，同時在合成科學(xué)的概念上往前突破了一大步。科學(xué)家用化學(xué)的方法，人工合成到了一個很大的分子，又具有很好的生理活性，不僅是合成科學(xué)取得的成果，更重要的是，它促進了科學(xué)家對生命的理解。從這兩個層面上來看，結(jié)晶牛胰島素的人工化學(xué)合成，具有特殊的意義。
2 合成牛胰島素工作中的科學(xué)精神
合成牛胰島素的設(shè)想，是在“大躍進”時期提出來的。1958年12月21日，生化所最終確定了人工合成胰島素的課題，并采用“五路進軍”、“智取胰島”的方案進行積極探索。鄒承魯?shù)热藢Α耙葝u素還原型A、B 鏈可以重組成天然胰島素分子”的發(fā)現(xiàn)，確定了60年代中國人工合成牛胰島素的路線。這項工作的意義還在于，拆散的A、B二個鏈，重新組合后仍能有生理活性，說明了正確的一級結(jié)構(gòu)能夠自我組裝成必需的空間結(jié)構(gòu)。這也消除了人們心中的疑惑，大大增強了工作的信心。
1960年5月5日，有機所接到中科院院黨組交代下來的突擊任務(wù)，正式參與到牛胰島素的合成工作中來。中國科學(xué)院上海分院黨委書記王仲良親自掛帥，指揮生化所、有機所、藥物所、細胞生物學(xué)所、生理研究所等五個研究所進行“大兵團作戰(zhàn)”。有機所的工作由汪猷負責(zé)，參與牛胰島素A鏈21肽的合成，這是突擊工作的一部分。有機所的黨總支書記、副所長邊伯明和學(xué)術(shù)秘書湯壽樑在5月10日也加入到指揮工作中，并增加了中專院校的學(xué)生17人。袁承業(yè)、陸熙炎、屠傳忠、陳毓群、徐杰誠、張偉君、湯永褆、胡振元、王志勤等研究人員和技術(shù)人員共140人，約為當(dāng)時全所的三分之二的研究人員參與到胰島素A鏈的合成之中。在A鏈的合成中，他們采取了大小不同的肽段來合成更大的肽的方法，對保護基的使用和脫除進行了設(shè)計。1960年10月，有機所的人員基本上完成了A鏈1~5五肽以及6~21十六肽的合成。其中合成了牛胰島素A鏈中的A6-12、A13-16、A17-21、A13-21、A10-21、A6-21 各片段多肽，并對其中的三種：A13-16、A17-21、A13-21 各肽進行了光學(xué)純度的鑒定。在合成多肽片段時，他們嘗試和對比了不同的合成方法，如混合酸酐法、疊氮法縮合等，特別是，他們使用熔點測定、元素分析、紙層析、旋光測定和紅外光譜等多種國內(nèi)學(xué)者當(dāng)時使用較少的方法，邊合成邊檢測。同時離子交換法這種新技術(shù)也被應(yīng)用到合成中，而且備受期待。
1960年底，科學(xué)院的胰島素“大兵團作戰(zhàn)”結(jié)束。在有些單位將“大兵團作戰(zhàn)”階段所獲得的產(chǎn)物當(dāng)成垃圾倒掉時，有機所還留了一點用于繼續(xù)提純和分析，并陸續(xù)整理出了3篇研究論文在《化學(xué)學(xué)報》上發(fā)表。此后的胰島素工作變?yōu)楦鱾€單位自行研究的狀態(tài)。汪猷認為這項工作選題是好的，既然已經(jīng)開始了工作就沒有理由放棄。他和一個四人小組始終堅持了下去。1963年10月，汪猷去北京參加人大會議，邢其毅請他到北大做學(xué)術(shù)報告，進一步商談了胰島素協(xié)作事宜，并改變了A鏈的合成方法，由原來的5加16變?yōu)?加12，即先分別制取氨端九肽和羧端十二肽，再經(jīng)過疊氮法縮合成帶保護基A鏈。在協(xié)作方式上，由北大合成A鏈的前9肽，有機所合成A 鏈的后12肽，生化所仍合成B鏈，并負責(zé)連接A鏈和B鏈。1964年初，北大化學(xué)系的陸德培、李崇熙、施溥濤、季愛雪和葉蘊華等五位教師來到上海，和有機所的研究小組一道工作。A鏈合成工作進行了重新部署，北大和有機所的工作人員統(tǒng)一做了安排，分成三個工作小組，分別負責(zé)前九肽和后十二肽的合成以及分析鑒定工作。1964年后，有機所在汪猷的帶領(lǐng)下，研究人員徐杰誠、張偉君、陳玲玲、錢瑞卿，以及實驗輔助人員劉永復(fù)、王思清、姚月珍、李鴻緒等進行胰島素的合成工作?？紤]到A5-9肽已經(jīng)有一定數(shù)量，所以1964年10月開始，他們將工作集中在制備A1-4四肽上。而且由于A19-21三肽的得率較低，他們嘗試不同方法，即用活化酯逐步合成法，或用疊氮法縮合以期待提高得率。1965年5月，胰島素A鏈的合成實現(xiàn)，并進行了與天然胰島素B鏈的組合。當(dāng)A鏈和生化所合成的B鏈積累到一定量時，杜雨蒼、張偉君、施溥濤三人匯合在生化所，見證了用人工合成的胰島素A鏈和B鏈做全合成試驗，并最終于1965年9月17日得到了牛胰島素結(jié)晶。
回顧牛胰島素的合成工作，科學(xué)研究中的協(xié)作和團結(jié)一直是王仲良、王應(yīng)睞、汪猷等堅持的原則。這項工作中，中國科學(xué)家在特殊時期對待科學(xué)的態(tài)度以及科學(xué)精神也得到凸顯，特別是他們對待科學(xué)研究的嚴謹，這與當(dāng)時“浮夸”的風(fēng)氣是格格不入的。汪猷的研究風(fēng)格在胰島素的工作中顯現(xiàn)出來，特別是他對合成科學(xué)中嚴謹?shù)陌盐蘸蛷娬{(diào)。據(jù)胰島素參與者徐杰誠的回憶，在A鏈的合成中，為了檢定每步縮合產(chǎn)物的純度，從原料到每一個中間體片段，從小片段到大片段，汪猷都要求通過元素分析、層析、電泳、旋光測定、酶解及氨基酸組成分析，“其中任何一項分析指標達不到，都要進一步提純后再進行分析，力求全部通過。當(dāng)時我們戲稱這叫過五關(guān)、斬六將”。因為在胰島素全合成近200步的反應(yīng)中，任何一步的產(chǎn)物不純，都會影響到以后的合成。這也是汪猷非常強調(diào)元素分析等分析方法的原因所在，也只有如此，才能保證科學(xué)研究的可重復(fù)性和可證實性。正是因為如此，才能高質(zhì)量地實現(xiàn)了全合成。胰島素的合成進行了多次重復(fù)實驗，其中A鏈21肽合成過30批，半合成進行了60 次，人工全合成A鏈和B鏈共重復(fù)了27次，分16批進行，其中兩批進行了結(jié)晶。中間肽段通過幾種方式合成，增加了可靠性。關(guān)鍵數(shù)據(jù)經(jīng)過多次重復(fù)。
除了在合成工作的前期階段，希望得到一整套很完整的分析數(shù)據(jù)來證實中間產(chǎn)物的純度以保證合成過程的可靠性之外，當(dāng)1965年9月17日得到結(jié)晶時，即便清楚地知道這項工作在國際上取得發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)的重要性，在1965年11月國家科委為人工合成結(jié)晶牛胰島素舉行的鑒定會上，以汪猷為首的一些有機化學(xué)家認為證據(jù)還不夠充分，并給出結(jié)論：“可以認為已經(jīng)通過人工全合成獲得了結(jié)晶牛胰島素”，并希望“對于全合成最后結(jié)晶產(chǎn)物，應(yīng)進一步分析鑒定，以期獲得更為充分的證明”。此后，生化所、有機所和北大三個單位的人員又對胰島素結(jié)晶進行了電泳、層析、免疫雙擴散、抗血清中和試驗以及酶解、兔血糖測定等測試，發(fā)現(xiàn)所合成的結(jié)晶產(chǎn)物，其帶電荷的性質(zhì)、層析行為、免疫化學(xué)性能、一級結(jié)構(gòu)中的三個硫硫鍵的結(jié)合方式，以及降低血糖的生理作用，均與天然胰島素?zé)o異，“這些數(shù)據(jù)充分證明了，我們所合成的結(jié)晶產(chǎn)物就是結(jié)晶牛胰島素?！痹?966年4月15—21日，人工合成牛胰島素鑒定委員會在北京舉行的擴大的第二次會議上，肯定“上述結(jié)果充分證明了人工全合成的結(jié)晶產(chǎn)物就是牛胰島素?！?/span>
特別值得一提的是，除了對科學(xué)研究可證實性的強調(diào)，中國科學(xué)家對新的分析技術(shù)的建立也很敏感。在中國科學(xué)家進行牛胰島素的合成時，國際上的多肽合成工作剛剛展開，而一些新的合成多肽的方法也才剛剛出現(xiàn)，他們在合成過程中采用的分析技術(shù)都是國際上新出現(xiàn)的，如紙層析、電泳、離子交換、逆流分溶等方法，而分析技術(shù)對合成科學(xué)的重要性不言而喻。這些方法如何獲得？據(jù)陸熙炎的回憶，在1952—1958年期間跟隨汪猷進行鏈霉素研究的過程中，有機所的研究人員在汪猷的指導(dǎo)下，自己建立了高真空和短程蒸餾、逆流分溶、離子交換樹脂和紙層析等國際上最新的分析技術(shù)。當(dāng)時離子交換樹脂要自己合成，紙層析時用哪一種紙也要自己摸索。我們看到，這些分析技術(shù)的建立，無疑為后來的胰島素合成工作提供了堅實的基礎(chǔ)。如在1965年4月4日至8日，有機所與北大召開了關(guān)于胰島素合成的會議上，除了提出要在實現(xiàn)拿到活力不低于0.5%~1.0%的全合成胰島素物質(zhì)的指標，還要“爭取搞一點逆流分溶工作，為提供21肽準備一些條件”。
對科學(xué)研究嚴謹性的追求、對新的分析技術(shù)的建立和探索，不僅對胰島素的合成而言起到了推動作用，更重要的是，這對于作為科學(xué)的后發(fā)國家的中國而言，顯得彌足珍貴。相較五四時期對科學(xué)的宣揚而言，中國科學(xué)家在20世紀60年代對作為核心的科學(xué)精神的把握，在胰島素合成工作中得到了具體的呈現(xiàn)，而且奠定和推動了有機所，乃至中國科學(xué)的研究傳統(tǒng)和風(fēng)格。
3 發(fā)揚科學(xué)傳統(tǒng)，合成我們的未來
在中國科學(xué)家通過合成方法獲得結(jié)晶牛胰島素的過程中，肽合成技術(shù)取得了突破性進展，1963年美國科學(xué)家梅里菲爾德(R. B. Merrifield) 提出了固相多肽合成技術(shù)，并在1966年利用該技術(shù)合成了牛胰島素，這一突破性合成方法的發(fā)明較之經(jīng)典的多肽合成方法，不僅使得大多數(shù)肽的合成變成了可以通過自動合成儀器實現(xiàn)的“按部就班”的工作，多肽合成的速度和質(zhì)量也大為提高。僅就牛胰島素的合成而言，利用這種方法只需數(shù)天，而且產(chǎn)率很高，因而為生命科學(xué)提供了足量的用于研究的材料，也為醫(yī)藥事業(yè)作出了巨大的貢獻。在中國科學(xué)家合成胰島素之后，美國的實驗室重復(fù)了他們的工作，國際上在保護基的選擇、產(chǎn)物的分離提純以及固相和液相兩種方法的結(jié)合應(yīng)用上做了大量工作。此后，有機合成化學(xué)家還利用該固相多肽合成技術(shù)對生理活性寡糖的模擬合成，不僅能夠驗證天然存在寡糖—生物功能關(guān)系的重要結(jié)論，而且能為進一步化學(xué)修飾，合成自然界不存在但具有強大生理功能的產(chǎn)物創(chuàng)造條件，且可以大量制備、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要任意設(shè)計，因而對于研究寡糖結(jié)構(gòu)—功能的關(guān)系是必不可少的方法。
從胰島素的合成歷程中，我們看到，合成化學(xué)為探索生命規(guī)律提供了重要的方法和物質(zhì)基礎(chǔ)。不僅如此，隨著合成科學(xué)的進展，它在人類未來的發(fā)展中，有著重要的意義。2001年度諾貝爾化學(xué)獎得主野依良治指出：化學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)的中心，而合成化學(xué)則是化學(xué)的中心。另外，有機所通過結(jié)晶牛胰島素的合成等工作，以后又參與進行了酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸的全合成，奠定了以合成科學(xué)為特色的學(xué)科基礎(chǔ)。
合成化學(xué)的主要任務(wù)是實現(xiàn)從小分子到大分子、從單分子基元到超分子體系的構(gòu)筑，實現(xiàn)化學(xué)、區(qū)域和立體選擇性的控制，同時創(chuàng)造出具有理想性質(zhì)和功能的新物質(zhì)。合成化學(xué)是多個基礎(chǔ)和應(yīng)用學(xué)科領(lǐng)域的基石，與生命、健康、農(nóng)業(yè)、材料和能源等領(lǐng)域密切關(guān)聯(lián)。20世紀合成化學(xué)的發(fā)展徹底改變了人類社會生產(chǎn)、生活方式，這很大程度上歸功于它強大的創(chuàng)造力，因為通過化學(xué)合成不僅可以制造出自然界業(yè)已存在的物質(zhì)，還可以創(chuàng)造出具有理想性質(zhì)和功能的、自然界中不存在的新物質(zhì)。進入21世紀以來，已有四次諾貝爾化學(xué)獎授予合成化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家，反映了這一領(lǐng)域的巨大創(chuàng)造力和活力，以及合成化學(xué)對科學(xué)和人類社會的貢獻。在分子水平上探討生命現(xiàn)象，弄清生物大分子的結(jié)構(gòu)并對其進行有目的的操作是21世紀的化學(xué)家進行方法創(chuàng)新的新途徑。化學(xué)生物學(xué)這門研究生命過程中化學(xué)基礎(chǔ)的科學(xué)的出現(xiàn)，為使用小分子作為工具解決生物學(xué)的問題或通過干擾/調(diào)節(jié)生命過程而了解蛋白質(zhì)的功能成為可能，也為新世紀化學(xué)的發(fā)展特別是充分發(fā)揮合成化學(xué)的創(chuàng)造力提供了更為廣闊的
空間。
當(dāng)我們今天回顧胰島素全合成最初的目標時，會認為合成胰島素與合成生命之間的距離還很遙遠。但合成科學(xué)的新進展，以及新出現(xiàn)的合成生物學(xué)，使得合成生命不再遙不可及?？茖W(xué)家利用化學(xué)小分子替代基因誘導(dǎo)細胞重編程以及第一個人造合成細胞問世，其中的合成基因組有582 970 bp，使得人類在未來很可能能夠按照需要創(chuàng)造合成基因組，進而合成生命。正因為此，21世紀的“合成化學(xué)”需要更高水平的科學(xué)創(chuàng)造力，以探索其無限的可能性，合成更美好的未來。未來的合成化學(xué)必須是經(jīng)濟的、安全的、環(huán)境友好的以及節(jié)省資源和能源的，科學(xué)家需要為實現(xiàn)“完美的合成化學(xué)”而努力。一直以來，上海有機化學(xué)研究所以她卓越的合成科學(xué)在中國的科技進步、經(jīng)濟社會發(fā)展和國防建設(shè)中發(fā)揮了不可替代的作用?！巴ㄟ^合成創(chuàng)造價值，用合成的分子影響和改變世界”是上海有機所追求合成科學(xué)卓越理念的具體描述。上海有機所正借中科院“率先行動”計劃之戰(zhàn)略機遇，聚焦“轉(zhuǎn)化分子科學(xué)”，謀劃新一輪的發(fā)展戰(zhàn)略：圍繞轉(zhuǎn)化分子科學(xué)前沿的重大科學(xué)問題和國家重大需求，匯聚最具創(chuàng)新活力的合成化學(xué)人才，以化學(xué)鍵活化、斷裂和重組的本質(zhì)規(guī)律認識為基礎(chǔ)，以分子轉(zhuǎn)化的精準調(diào)控為突破口，以新物質(zhì)創(chuàng)制和新過程發(fā)現(xiàn)為載體，做出原創(chuàng)性、變革性的科學(xué)成果，引領(lǐng)合成科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，為中國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展和滿足國家重大戰(zhàn)略需求提供有力科技支撐，率先建成具有特色鮮明、國際一流的轉(zhuǎn)化分子科學(xué)卓越中心。
（本文原發(fā)表于《生命科學(xué)》2015年第27卷第6期）