“中國取得了一個世界冠軍，要爭取再拿一個冠軍！”
1965年12月，中國科學(xué)院在上海召開了一場調(diào)研會，組織中國科學(xué)院生物化學(xué)研究所（以下簡稱生化所，中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心前身之一）、中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所（以下簡稱上海有機(jī)所）、中國科學(xué)院實驗生物研究所（后更名為中國科學(xué)院上海細(xì)胞生物學(xué)研究所〈簡稱細(xì)胞所〉，中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心前身之一）等單位積極研討，在剛剛完成人工合成牛胰島素結(jié)晶這一創(chuàng)舉之后，緊接著要確定什么科學(xué)目標(biāo)。
參會的科學(xué)家們清楚，這次提出的應(yīng)該是一個能與人工合成蛋白質(zhì)——牛胰島素相媲美，氣魄宏大、雄心勃勃的目標(biāo)。經(jīng)過熱烈討論，他們決定下一步要人工合成核酸。
經(jīng)過堅持不懈的努力，他們再次取得了輝煌的成就。
酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸的三葉草二級結(jié)構(gòu)模型
金字塔之巔的“三葉草”
1968年春天，經(jīng)過科學(xué)家倡議、科技管理部門決策，一個代號“824”的項目正式啟動，北京和上海兩個研究團(tuán)隊成立。1977年，中國科學(xué)院成立協(xié)作組，協(xié)調(diào)京滬兩地工作，由時任生化所所長王應(yīng)睞任組長，時任生化所核酸研究室主任王德寶任學(xué)術(shù)組組長。
這個項目的研究內(nèi)容是人工合成核酸，名稱則來自1964年8月24日。那一天，毛澤東主席與周培源、于光遠(yuǎn)兩位科學(xué)家座談時提出：“關(guān)于生命起源要研究一下?！?/span>
生命是怎么來的？這是人類擁有智慧以來在不斷探索的終極命題。到20世紀(jì)時，人們已經(jīng)知道生命是由蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子構(gòu)成的。這些大分子不僅像一磚一瓦般搭建起千姿百態(tài)的生命體，還以極其精妙的方式調(diào)控、運(yùn)行著瞬息萬變的生命活動。
在第一個人工合成蛋白質(zhì)——牛胰島素誕生前，西方許多著名科學(xué)家都認(rèn)為，生命體是自然界的偉大創(chuàng)造，人類是無法代替“造物主”的。牛胰島素蛋白質(zhì)的人工合成，向人類自主創(chuàng)造生命邁出了關(guān)鍵的第一步，對人類社會、科學(xué)、文化乃至世界觀的沖擊都非同凡響。
既然邁出了第一步，人們自然而然會想下一步要怎么走。從合成蛋白質(zhì)到合成核酸，幾乎是順理成章的想法。
當(dāng)初選擇合成牛胰島素，是因為這是世界上第一個成功測定結(jié)構(gòu)序列的蛋白質(zhì)。而就在1965年，第一個被人類揭示的核酸結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了——美國生物化學(xué)家羅伯特·威廉·霍利解析出了酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸（tRNAyAla）的一級結(jié)構(gòu)。后來人們發(fā)現(xiàn)，所有轉(zhuǎn)移核糖核酸（tRNA）的結(jié)構(gòu)都是相似的——像一株美麗的三葉草。
合成這株“三葉草”，就是“824”項目團(tuán)隊的目標(biāo)。它看起來如此精巧、如此美妙，人類真的可以在實驗室中再現(xiàn)這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并賦予它生命的活性嗎？
盡管中國科研人員已經(jīng)在人工合成蛋白質(zhì)工作中取得勝利，但人工合成核酸并不能簡單復(fù)制此前的成功經(jīng)驗。
實際上，tRNA的結(jié)構(gòu)比牛胰島素更復(fù)雜。牛胰島素的分子量是5700，而由76個核苷酸組成的tRNAyAla，分子量約為26000，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者。此外，相比性質(zhì)較為穩(wěn)定的蛋白質(zhì)，核酸則要“嬌嫩”得多，環(huán)境條件稍有不妥，就很容易發(fā)生降解。當(dāng)時世界上有很多實驗室都在嘗試人工合成核酸，但經(jīng)過艱難的探索后，不少都放棄了。只有少數(shù)國家還在堅持，想要實現(xiàn)這一不知能否達(dá)成的目標(biāo)。
比起國外同行，中國科學(xué)家的條件要艱苦得多。但他們還是義無反顧、心無旁騖地投身這項曲折而壯闊的事業(yè)中。
有人把核酸的合成，比喻為建造一座宏偉的金字塔?？蒲腥藛T需要從單體的提純、制備開始，通過無數(shù)次反應(yīng)，逐漸延長合成的片段，而最后獲得的產(chǎn)物在數(shù)量上只有單體原料的百億分之一。
要摘得金字塔之巔的那株“三葉草”，路漫漫其修遠(yuǎn)兮！
王德寶帶領(lǐng)科研人員討論實驗方案
從做“環(huán)衛(wèi)工人”起步
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
三葉草形的tRNAyAla由76個核苷酸組成，除了4種常見核苷酸——腺苷酸、鳥苷酸、胞苷酸和尿苷酸外，還含有9個（7種）稀有核苷酸。未來，這些稀有核苷酸將在人工合成核酸的探索中，扮演至關(guān)重要的角色。
協(xié)作組基于tRNAyAla的特殊結(jié)構(gòu)，結(jié)合國外已有成果，同時借鑒人工合成牛胰島素的路徑經(jīng)驗，確定了合成工作的大路線：要在拆合天然tRNAyAla成功的基礎(chǔ)上，先分頭合成兩個“半分子”——5'半分子和3'半分子，再將它們連接起來，得到完整的人工合成tRNAyAla分子，然后測定生物活性。
合成路線確定后，生產(chǎn)足夠的合成原料是當(dāng)務(wù)之急。當(dāng)時各種國外進(jìn)口渠道都未通行，國內(nèi)只能提供氨基酸等普通生化試劑，人工合成核酸需要的單體核苷酸、酶、保護(hù)劑等，只能靠科研人員自行生產(chǎn)。
有趣的是，最初加入“824”項目的很多研究人員，第一站奔赴的不是實驗室，而是位于北京的首都啤酒廠，他們在這里就地建立了一個原料組。
核酸和啤酒，看起來是風(fēng)馬牛不相及的兩樣?xùn)|西。但專業(yè)人士知道，啤酒廠有大量廢酵母，恰恰可提取用于人工合成核酸的各種單體核苷酸。
除了把廢酵母“變廢為寶”外，研究人員還常常跑到北京的一些奶牛場，收集一些小牛胸腺，裝進(jìn)冰壺，帶回啤酒廠。從這些小牛胸腺中，也可提取用于人工合成核酸的各種單體核苷酸。
那段時間，科研人員和首都啤酒廠的工人們建立了深厚的友誼。在大家共同努力下，廠里建起一個ATP（腺苷三磷酸）生產(chǎn)車間，后來還發(fā)展出干擾素誘導(dǎo)劑PolyIC生產(chǎn)項目。當(dāng)時啤酒生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益不高，反倒是這些頗具科技含量的副業(yè)辦得紅紅火火。通過這些探索，他們在國內(nèi)率先開辟了核酸試劑生產(chǎn)線，推動了相關(guān)工業(yè)和醫(yī)藥事業(yè)發(fā)展。
合成tRNAyAla所需要的另一種重要原料是假尿苷酸，是稀有核苷酸之一。雖然假尿苷酸稀有，但它的前體物質(zhì)假尿苷并不罕見，在人尿中大量存在。于是便出現(xiàn)了畫風(fēng)清奇的一幕：國家重大科研項目的研究人員常常出沒各個公共廁所，放置一些尿桶，過段時間再拎著滿滿一桶尿，如獲至寶地回來進(jìn)行分離實驗。
當(dāng)時，30歲出頭的祁國榮是生化所人工合成核酸項目的一員。他至今記得他們和工人一道搬運(yùn)尿桶的往事?！澳菚r我壯得像半個運(yùn)動員，從來不計較做什么事情，只要是為了科學(xué)，就不惜力氣?！?/span>
加料、攪拌、蒸餾……當(dāng)他們從大桶大桶的尿液中提取到幾克假尿苷酸時，那種興奮和喜悅溢于言表。
正是通過這些形形色色的渠道和奇奇怪怪的方法，“824”項目團(tuán)隊最終實現(xiàn)了7種稀有核苷酸原料的自給自足。后來的實驗結(jié)果證明，稀有核苷酸對tRNA的生物活性至關(guān)重要，這也是我國工作與外國同類工作的最大差別。
令人感慨的是，輝煌的科研成果，恰恰誕生于無數(shù)繁重瑣碎的臟活、累活之中。難怪曾有人感嘆：人工合成核酸的工作是從做“環(huán)衛(wèi)工人”做起的。
協(xié)作到底、堅持到底
王德寶（中）與協(xié)作組部分成員
最初幾年，“824”項目研究進(jìn)展非常緩慢。
“到1973年了，還是做基礎(chǔ)性工作，沒有開始進(jìn)行片段合成。大家好像毫無頭緒，很著急。”人工合成核酸項目參與者、上海有機(jī)所研究員陳海寶回憶。
因為推進(jìn)困難，部分研究所之間的協(xié)作工作甚至一度停掉。1974年協(xié)作重啟后，協(xié)作組的專家經(jīng)過商議，決定重新探索新路。但直到1976年，項目依舊沒有走出低谷，關(guān)鍵的RNA連接酶遲遲沒能制備成功。如果退而求其次采用DNA連接酶，工作量又會大大增加。大家在這項工作上已經(jīng)奮斗了10多年，但勝利似乎遙遙無期。
為了盡快取得突破，王應(yīng)睞和王德寶給他們認(rèn)識的一位美國科學(xué)家寫信求助，獲得了相關(guān)菌種。很快，研究小組用這些菌種成功制備出RNA連接酶，后續(xù)工作也由此順利起來，到1977年底，天然tRNAyAla的拆合工作終于獲得成功。
在此之前，國外也有科研團(tuán)隊把tRNAyAla拆成兩個半分子，但到了重組合這一步，結(jié)果卻普遍不盡如人意，產(chǎn)率極低。國內(nèi)科研人員通過反復(fù)實驗，摸索出了最適宜的反應(yīng)條件，使拆合產(chǎn)率達(dá)到60%，而且產(chǎn)物具有完全接受和轉(zhuǎn)移氨基酸的生物活性。
1979年，中國-西德核酸蛋白質(zhì)學(xué)術(shù)討論會在上海衡山賓館舉行，中方代表匯報的tRNA拆合工作，讓西德代表團(tuán)的科學(xué)家大為震驚。在中國科學(xué)院生物物理研究所研究員鄒承魯?shù)耐扑]下，相關(guān)論文于1981年發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Biochimica Et Biophysica Acta，進(jìn)一步提升了國際影響力。
1979年，“824”項目協(xié)作組成功將3個大片段連接起來，完成了3’半分子的合成。雖然再次取得重要進(jìn)展，但部分主力成員一方面受風(fēng)靡一時的出國潮影響，另一方面對漫長的研究心生厭倦，開始打退堂鼓，認(rèn)為一半的研究就用了11年，全合成還不知道要多久，“繼續(xù)做下去，不過是勞民傷財”。
“824”項目協(xié)作組副組長、時任上海有機(jī)所所長汪猷意識到了情況的嚴(yán)峻，抓緊與相關(guān)負(fù)責(zé)人開會討論，鄭重提出“一定要協(xié)作到底、堅持到底”，同時鼓勵大家，“我們已經(jīng)積累了這么多經(jīng)驗，接下來速度會越來越快”。
人心穩(wěn)定了。果然，又經(jīng)過兩年不懈努力，他們終于迎來了最激動人心的時刻。
1981年12月20日傍晚6點，下班時間已過，上海市岳陽路上，幾幢大樓都靜悄悄的，唯獨細(xì)胞所行政樓后面的一排小屋燈火通明。屋里，十幾位身著白大褂的科研人員，神情肅穆地等待著合成結(jié)果。
經(jīng)過10多年摸爬滾打、屢敗屢戰(zhàn)的攻堅克難后，留在研究人員手中的，僅有幾毫微克的分子。而就這極其金貴的一點產(chǎn)物，還要經(jīng)過一道道嚴(yán)格的檢測和鑒定：先鑒定其末端結(jié)構(gòu)，接著測接受活性，再測摻入活性。
爬“金字塔”爬了這么久，所有人都想知道，塔頂上的那株“三葉草”究竟是真是假。盡管協(xié)作組開發(fā)出了僅用7微微克（7×10-12摩爾）樣品即可測定生物活性的方法，但大家還是擔(dān)心，萬一檢測不能通過，僅有的半分子被浪費掉了，還得回到金字塔底重新做。
最后的環(huán)節(jié)，十幾雙眼睛齊齊盯著一臺液體閃爍譜儀的同位素計數(shù)顯示屏。
5001000150020002500……
當(dāng)這串?dāng)?shù)字亮起時，所有人的目光都被點燃了：我國人工合成的tRNAyAla，在世界上首次測得了全部生物活性！
為了祖國的榮譽(yù)
“人工合成核酸”項目團(tuán)隊全體合影
“824”項目歷時13年，前后動員10余家單位近200位科技工作者。其中，取得突破的主力是中國科學(xué)院的生化所、細(xì)胞所、上海有機(jī)所、生物物理研究所，以及北京大學(xué)和上?；瘜W(xué)試劑二廠。
曾任項目總裝合成組組長的細(xì)胞所研究員包永德出國交流，提及“824”項目是國內(nèi)上百位科研工作者共同的智慧結(jié)晶。西方科學(xué)家的反應(yīng)是“難以置信”：西方國家是不可能在短時間內(nèi)組織這樣一支龐大的基礎(chǔ)研究隊伍搞大協(xié)作的！
“824”項目結(jié)束后，大多數(shù)研究人員回到各自單位從事新的研究工作。其中生化所于1982年起繼續(xù)開展一系列tRNA的結(jié)構(gòu)與功能研究，特別是在修飾核苷酸與tRNA活性關(guān)系研究方面取得了不少比較突出的成果。
1982至1983年，中國科學(xué)家在《科學(xué)通報》和《中國科學(xué)》發(fā)表“tRNAyAla的人工全合成”成果，這是在國際上首次報道通過人工方法全合成一個具有與天然RNA相同化學(xué)結(jié)構(gòu)和完整生物活性的完整核酸分子。在當(dāng)時的環(huán)境和條件下，中國科學(xué)家再次取得如此成就，令人驚嘆。
但祁國榮認(rèn)為：“這是水到渠成的事！”中國科學(xué)家能率先實現(xiàn)人工合成核酸，關(guān)鍵在于堅持真正的科學(xué)態(tài)度，“每一步都有嚴(yán)格的把關(guān)，也因此少走了很多彎路”。
1983年，王德寶以《酵母丙氨酸tRNA人工全合成》為題在第10屆國際tRNA學(xué)術(shù)研討會上作學(xué)術(shù)報告，并到美國、加拿大、英國、日本和西德的大學(xué)、研究所介紹該研究，贏得學(xué)術(shù)界的重視和贊揚(yáng)。而許多海外媒體和刊物的報道，則讓更多人認(rèn)識到中國這個東方文明古國在科技領(lǐng)域展現(xiàn)出的嶄新面貌。
“酵母丙氨酸tRNA的人工全合成”項目先后榮獲1984年中國科學(xué)院科技成果獎一等獎、1987年國家自然科學(xué)獎一等獎。主要負(fù)責(zé)人之一王德寶由于領(lǐng)導(dǎo)該工作取得突出成果，于1991年榮獲陳嘉庚生命科學(xué)獎、1996年榮獲何梁何利科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎。
從人工合成蛋白質(zhì)到人工合成核酸，兩項延續(xù)和遞進(jìn)的研究工作，就像一株光彩奪目的雙生花，又像一首詞珠聯(lián)璧合的上下闋，共同彰顯出中國人民的驚人智慧和創(chuàng)新力量，在新中國的科技發(fā)展史上寫下了濃墨重彩的不朽篇章。
原載于《中國科學(xué)報》 (2024-08-07 第4版?專題)
作者：李晨陽 孟凌霄
