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人工合成结晶牛胰岛素

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胰岛素三维结构示意图

人工合成结晶牛胰岛素(synthetic crystalline bovine insulin)是一项中华人民共和国于1965年达成的科学成就。人工合成牛胰岛素是世界上首个在体外全合成且仍具有完整结构的功能性蛋白质。该研究项目于1958年上马,研究团队由来自北京大学化学系、中国科学院上海生物化学研究所、中国科学院上海有机化学研究所的研究者组成[1]

胰岛素属于蛋白质(多肽)类激素,由A链和B链两条肽链组成,其中A链由21个氨基酸残基构成,B链由30个氨基酸残基构成。胰岛素参与调控血糖浓度控制,1型糖尿病即与胰岛素合成分泌异常密切相关,注射胰岛素则可用于治疗1型糖尿病[2]

人工合成牛胰岛素研究团队成员钮经义曾因对该项目做出了重要贡献而在1979年获得诺贝尔化学奖提名。然而,他最终并未能获得当年诺贝尔化学奖。对于未能获诺贝尔奖一事,中国大陆的互联网上有许多相关谣言广泛流传[3][4]

背景

胰岛素可用于治疗1型糖尿病

胰岛素是一种蛋白质(多肽)类激素,由胰岛β细胞英语beta cell分泌。弗雷德里克·格兰特·班廷约翰·麦克劳德两人曾因发现胰岛素在1923年获得诺贝尔生理医学奖[5][2]。胰岛素由两条肽链组成,分别是由21个氨基酸残基组成的A链和由30个氨基酸残基组成的B链。A链和B链之间通过二硫键连结。胰岛素在血糖浓度调控过程中扮演着重要的角色。胰岛素合成分泌异常是1型糖尿病的诱因,而1型糖尿病的治疗方法则是为病人注射胰岛素[6][2]。在很长一段时间里,胰岛素都只能从动物胰腺中分离,胰岛素的收率很低,且价格昂贵[7]。人胰岛素与牛、猪等动物的胰岛素结构相似,但有少数几个氨基酸残基不同,一部分人在注射牛、猪等动物源胰岛素后可能发生过敏等不良反应[8]

1955年,英国生物化学家弗雷德里克·桑格对胰岛素进行了测序,获得了其氨基酸序列(即一级结构[9][10]。因为这项工作,桑格获得了1958年的诺贝尔化学奖。第一个体外合成的多肽是由8个氨基酸组成的催产素。这项工作的主导者文森特·迪维尼奥于1955年获得诺贝尔化学奖[11][1]

历史

1958年,北京大学和中科院上海生物化学研究所决定上马人工合成蛋白质的研究项目,旨在使中华人民共和国成为第一个有能力全合成蛋白质的国家[1][2]。当时,中国大陆正处于大跃进运动中,而这项研究也得到了北京政府的支持[12]

当时,中国的工业并不发达,许多生化试剂供应紧张。为了解决生化试剂的供应问题,上海生物化学研究所在1959年开办了“东风厂”,生产氨基酸等化学试剂[13]

但在研究项目开始后不久,整个工程很快就被政治化。在1960年,曾一度有数百人参加该项目。当时的方针被称为“大兵团作战”,许多缺乏经验的毕业生及在读本科生也参与到了研究项目中。因为条件恶劣,许多人患上了肺结核等疾病。大兵团作战使研究工作变得无序而且混乱。到1960年下半年,该工程已耗费了不少的资金,但却并没有获得太多进展。同时,1960年,中国大陆开始陷入经济危机中。因为资金的短缺,有关方面曾一度想终止该项目,但该项目此时获得了时任中华人民共和国国务院副总理聂荣臻的支持。随后,整个项目组重组为一个由来自北京大学、中科院上海有机化学研究所、中科院上海生化所的20到30名研究人员组成的小团队。其中,钮经义领导的团队负责牛胰岛素B链的合成、邹承鲁领导的团队负责研究A链和B链的重组方法,A链的合成则是由一支北京大学和上海有机化学研究所的研究人员组成的团队负责[10][1]

1963年,西德亚琛工业大学赫尔穆特·赞恩英语Helmut_Zahn团队和美国匹兹堡大学帕纳约蒂斯·凯聪恩尼斯英语Panayotis Katsoyannis团队先后独立报导了他们成功在体外合成胰岛素的成果。然而,他们合成的胰岛素活性低,也无法形成结晶,注射到小鼠体内也不能使小鼠惊厥[2][14]。不过,赞恩和凯聪恩尼斯的研究成果确实使中国的研究团队倍感压力,因为其他国家的团队很可能会抢在他们之前找到合成结晶胰岛素的方法[1]

由邹承鲁领导的研究团队在1959年就发现了一个可以使胰岛素A链和B链在体外重组成胰岛素的方法。然而,因为政治上的原因(有关方面认为这项成果发表后,西方国家就会借助这项成果抢先合成胰岛素),他们未能获批发表这项成果。直到迪克森(Dixon)和沃德洛(Wardlaw)于1960年在《自然》(Nature)杂志上报导了他们在胰岛素A链和B链体外重组上的研究成果后,邹承鲁的研究团队才获准在1961年的英文版《中国科学》杂志(Scientia Sinica)上发表他们的研究论文。这篇论文中提到,他们的重组方法比迪克森和沃德洛的方法效率更高。最后用于重组出人工合成结晶牛胰岛素分子的重组方法是在1963年发现的。但为了防止其他国家的课题组利用这项成果抢先得到结晶牛胰岛素,新的方法并没有发表[1][2][15]。1964年,钮经义领导的研究团队成功在体外全合成牛胰岛素B链。研究人员随后成功用人工合成的B链和天然牛胰岛素的A链在体外重组出牛胰岛素分子。然而,A链的合成相比之下并不顺利,到1965年3月也没有取得突破。当月,研究人员决定改变A链最后12个氨基酸残基的肽段的合成途径。5月,研究人员用新的方法成功合成了A链[2][10]

随后,由杜雨苍、张伟君和施溥涛组成的团队开始尝试在体外将人工合成的A链和B链重组成结晶牛胰岛素。最开始实验并不顺利。虽然先前的实验结果表明天然的A链和人工合成的B链已经能在体外重组成具有高活性的结晶牛胰岛素,但用人工合成的A链和B链重组得到的胰岛素分子相比天然胰岛素只有0.7%的活性,注射到小鼠体内也不产生惊厥,这说明他们得到的胰岛素分子没有生物活性。随后,杜雨苍对重组方法进行了改进。最后,使用杜雨苍改进过的方法,在1965年9月17日,经过14天冰箱中的冷冻,装有重组分子的小管中已可以观察到牛胰岛素的结晶。进一步实验表明,这种重组的牛胰岛素分子的水溶液在注射到小鼠体内后,确实可以引发小鼠的惊厥。至此,研究团队成功获得了在体外人工全合成的、具有生物活性的结晶牛胰岛素[13][2]

1965年11月,由中科院副院长吴有训主持的成果鉴定会召开。会议后,因为汪猷等研究者认为实验结果还需要经过进一步验证,研究团队只在当月于《中国科学》杂志英文版发表了一篇简报。1966年3月,在完成包括层析、电泳、酶解分析等一系列补充实验后,研究团队向《中国科学》英文版杂志投递了关于人工合成结晶牛胰岛素的论文。该论文于1966年4月见刊[13][2]

中国成功合成结晶牛胰岛素的消息在国际上造成了很大的影响。英国广播公司(BBC)曾在黄金时段播报这一新闻。1966年4月,邹承鲁、王应睐、龚跃亭三人在于波兰华沙召开的欧洲生化联合会英语Federation of European Biochemical Societies(Federation of European Biochemical Societies,FEBS)第三次会议上报告了这一成果。弗雷德里克·桑格参加了这一报告并表示这项工作十分有意义[16][13][1]。1966年8月,《科学》就报导了人工合成结晶牛胰岛素[14][2]

瑞典生物化学家、诺贝尔奖得主阿尔内·蒂塞利乌斯在1966年4月30日访问北京使表现出他对人工合成结晶牛胰岛素的强烈兴趣。他认为这项工作振奋人心。在得知中华人民共和国成功试爆原子弹后,他评论道:“制造原子弹是可以从书本上学到的,但合成结晶牛胰岛素却不能。”1966年下半年,同样是诺贝尔奖得主的英国生化学家约翰·肯德鲁在访问中国北京时表示,合成结晶牛胰岛素(在当时)是英国最知名的中国科学成就[13][17]

机制

研究者将人工合成结晶牛胰岛素的工作分成了三个部分。第一部分和第二部分分别是人工合成牛胰岛素A链和B链。第三部分是在体外将A链和B链重组为牛胰岛素分子。在合成A链和B链的方法上,研究人员选择将A链和B链分别拆分为数个较容易合成的片段。先合成这些肽段,最后再将这些片段连成完整的A链和B链。为了防止氨基酸的氧化,合成过程中所用的部分氨基酸侧链加上了保护性的基团,但最终得到的A链和B链并不含有这些保护性基团,因为中间的反应步骤会将这些保护性基团逐步除去。最后全合成的A链和B链使用邹承鲁团队于1963年发现、杜雨苍在1965年进行部分修改的方法进行重组。当时,研究者发现,胰岛素的A链和B链在体外重组时,倾向于形成和天然胰岛素一样的二硫键、形成相同三维的结构。这一现象在20余年后,也就是20世纪80年代才得到解释,即两条肽链形成天然胰岛素的三维结构时,会处于能量最低的状态,因而分子会自发形成这样的结构[2][15][10][1]

诺贝尔奖提名及相关网络谣言

1972年,美籍华裔物理学家、诺贝尔物理学奖得主杨振宁在回中国大陆探亲时向时任中华人民共和国国务院总理的周恩来提到,他愿意在次年评选诺贝尔化学奖得主时向诺贝尔奖委员会提名人工合成结晶牛胰岛素这项贡献,但被周恩来婉拒。1973年,杨振宁在一封写给时任中科院院长郭沫若的信中再次提到,他愿意向诺贝尔奖委员会提名人工合成结晶牛胰岛素这项贡献,但在当局讨论后,最后仍然决定谢绝提名。普遍认为这两次拒绝提名是因为当时中国正处于文革的特殊政治环境中[13][3][4]

1976年,文革结束。1977年,一名澳大利亚科学家在钱三强随团访问澳大利亚时向他提出,人工合成结晶牛胰岛素是一项诺贝尔奖级的成果。在1978年9月,杨振宁向邓小平再次提出向诺贝尔奖委员会提名人工合成结晶牛胰岛素。同时,时任上海生化所所长的王应睐也收到了诺贝尔化学奖委员会的信件,邀请他提名1979年的诺贝尔化学奖候选人。1978年12月,在上海召开了一次推选诺贝尔化学奖获提名者的会议。最初,与会者希望推出四名对人工合成牛胰岛素贡献最大的科学家,即邹承鲁、钮经义、季爱雪及汪猷。但考虑到诺贝尔化学奖每年得奖人数最多只能有3人的不成文规则,加上美国和西德的科学家也在相关领域做出了突出贡献,最后决定只推出钮经义一人。最后,王应睐、杨振宁,以及一名美国华裔科学家王浩三人同时向诺贝尔化学奖委员会提名钮经义。但最后钮经义未能获得1979年的诺贝尔化学奖[13][3][4]

中国大陆的网络上流传着许多关于人工合成结晶牛胰岛素获诺贝尔奖提名一事的谣言。比如,一些谣言称北京在1966年因为政治原因拒绝了当年对人工合成结晶牛胰岛素的诺贝尔奖提名。另一些谣言称,因为中国向诺贝尔奖委员会提名了4人(亦有谣言称中国提名了涉及人工合成结晶牛胰岛素的所有人,包括清洁工),而诺贝尔化学奖的一条不成文规则是同一年最多只能有三人获奖,最后提名被诺贝尔奖委员会否决。还有一些谣言称未获诺贝尔奖是因为诺贝尔奖委员会歧视中国的科学家[13][3][4][18]

参见

参考

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 邹承鲁. 对人工合成结晶牛胰岛素的回忆. 生命科学. 2015, 27 (6): 777–779. 
  2. ^ 2.00 2.01 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09 2.10 Sun, Yeping. The creation of synthetic crystalline bovine insulin. Protein & Cell. 2015-11, 6 (11): 781–783. ISSN 1674-800X. PMC 4624679可免费查阅. PMID 26487565. doi:10.1007/s13238-015-0221-x. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 揭秘我国首次申报诺贝尔奖始末. 人民日报. 2005-10-08 [2018-03-25]. (原始内容存档于2014-07-09). 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 李岩. 中国人对诺贝尔奖的病态痴迷源自何处?. 腾讯网. 2016-12-24 [2018-03-25]. (原始内容存档于2018-04-21). 
  5. ^ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1923. Nobel Foundation. [2007-07-28]. (原始内容存档于2007-09-22). 
  6. ^ Diabetes Fact sheet N°312. WHO. November 2016 [2017-05-29]. (原始内容存档于2013-08-26). 
  7. ^ TIBI PUIU. Why insulin is so prohibitively expensive to the 29 million diabetes patients in the US. ZME Science. [2018-03-26]. (原始内容存档于2017-12-28). 
  8. ^ Animal insulins. the Living Textbook of Diabetes. [2018-03-27]. (原始内容存档于2015-12-01). 
  9. ^ Nobel Prize Facts. Nobelprize.org. [2015-09-01]. (原始内容存档于2017-07-08). 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 汤卡罗. 人工合成胰岛素的精神代代相传——纪念我国人工合成结晶牛胰岛素50周年. 大学化学(University Chemistry). 2015, 30 (2): 1–5. 
  11. ^ The Nobel Prize in Chemistry 1955. Nobelprize.org. Nobel Media AB. [2016-11-17]. (原始内容存档于2016-12-23). 
  12. ^ 熊卫民. 中外人工合成胰岛素比较. 炎黄春秋. 2006, 1. 
  13. ^ 13.0 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 熊卫民. 人工全合成结晶牛胰岛素的历程. 上海生化所. 2015 [2018-04-21]. (原始内容存档于2018-04-21). 
  14. ^ 14.0 14.1 Mcelheny, Victor K. Total Synthesis of Insulin in Red China. Science. 1966-07-15, 153 (3733): 281–283 [2018-04-27]. ISSN 0036-8075. PMID 17779990. doi:10.1126/science.153.3733.281. (原始内容存档于2021-02-13). 
  15. ^ 15.0 15.1 王芷涯. 上海生物化学研究所胰岛素全合成工作情况. 生命科学. 2015, 27 (6): 734–739. 
  16. ^ C Tsou. Current Biochemical Research in China. Elsevier Science. 2012-12-02: 6–8 [2018-04-21]. ISBN 978-0-323-15787-2. (原始内容存档于2018-04-22). 
  17. ^ Agar, Jon. 'It's springtime for science': renewing China-UK scientific relations in the 1970s. Notes and Records of the Royal Society of London. 2013-03-20, 67 (1): 7–24 [2018-04-27]. ISSN 0035-9149. PMC 3645197可免费查阅. PMID 24686564. doi:10.1098/rsnr.2012.0052. (原始内容存档于2020-05-07). 
  18. ^ 那一年,这一天,我们痛失诺贝尔奖?. 健康界. [2018-04-21]. (原始内容存档于2017-09-30).