戴立信(1924—2024)，有機化學家，中國科學院院士，中國科學院上海有機化學研究所研究員、博士生導師。主要在高選擇性有機合成反應，特別是不對稱合成方面開展研究。
丁奎嶺(1966—)，中國科學院上海有機化學研究所研究員、博士生導師。有機化學家，中國科學院院士，現(xiàn)任中國科學院上海有機化學研究所所長。主要從事手性催化和綠色合成領域的研究。
朱晶(1981—)，華東師范大學哲學系副教授。2008 年獲北京大學理學博士學位。研究方向：化學史，科學方法論。
戴立信，丁奎嶺，朱 晶
1965年9月17日，中國科學院上海生物化學研究所(生化所)、北京大學化學系和上海有機化學研究所(有機所) 的科學家宣布獲得人工合成的牛胰島素結晶。關于人工合成結晶牛胰島素，有從國家與科學、政治運動與科學、大科學時代的科學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，探討化學合成領域的變革與生命科學的發(fā)展之間的關系，探討中國的科學家在特殊時期對科學精神的理解和推動，人工合成牛胰島素在合成科學層面以及在中國科學發(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一系列的化學變化過程。在今天，不論是物理學、生物學還是醫(yī)學、化學都是這些“理解化學變化的學科”的基礎，是一門中心科學。而在人類認識生命的歷程中，因為合成科學，科學家對生命科學的理解發(fā)生了幾次重要的變化。
1828年德國化學家維勒(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”才能產生、而人工是無法合成的觀點，這是合成化學與生命科學第一次被聯(lián)系在一起。
但是生命畢竟是極其復雜的體系，而尿素又過于簡單，因此生命力學說并未退縮。在當時的認知程度上，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之間唯一的明確的分界線。對稱的物理力或化學力被認為不能產生分子的“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，創(chuàng)造了分子的不對稱性。而這樣的不對稱催化反應，過去認為只有自然界的酶才可能實現(xiàn)。又經過發(fā)展，現(xiàn)在有的不對稱催化反應的效率已經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合形成多肽的觀點，確定了蛋白質分子的氨基酸基本骨架，邁出了用化學合成來實現(xiàn)從氨基酸到蛋白質的第一步。
接下來的問題是，能不能合成一種物質，能夠產生生理活性呢，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)結的肽段，直到1953年迪維尼奧(Vincent du Vigneaud) 將有機化學的研究成果成功地應用于生物化學和生理學領域，從氨基酸出發(fā)合成了第一個天然多肽激素——催產素，并且合成得到的催產素展示了應有的生理活性。這雖然只是一個九肽，卻提供了人工合成更復雜的含硫多肽的途徑。但九肽催產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) 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構，即使克服巨大的困難，合成了具有胰島素一級結構的肽鏈，若不能把它折疊成既定的空間結構，依然得不到具有生物活性的胰島素，因為當時對生物大分子的高級結構與初級結構之間的關系尚不明晰，胰島素的初級結構是否含有決定天然分子活性結構的信息等都是尚未解決的問題。在合成方法上，人工結晶牛胰島素的合成也極大地挑戰(zhàn)了科學家的智慧。因此，人工牛胰島素的成功合成，是合成科學方法上的重大進步，同時在合成科學的概念上往前突破了一大步?？茖W家用化學的方法，人工合成到了一個很大的分子，又具有很好的生理活性，不僅是合成科學取得的成果，更重要的是，它促進了科學家對生命的理解。從這兩個層面上來看，結晶牛胰島素的人工化學合成，具有特殊的意義。
2 合成牛胰島素工作中的科學精神
合成牛胰島素的設想，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構能夠自我組裝成必需的空間結構。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，正式參與到牛胰島素的合成工作中來。中國科學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，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、副所長邊伯明和學術秘書湯壽樑在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人員共140人，約為當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學者當時使用較少的方法，邊合成邊檢測。同時離子交換法這種新技術也被應用到合成中，而且備受期待。
1960年底，科學院的胰島素“大兵團作戰(zhàn)”結束。在有些單位將“大兵團作戰(zhàn)”階段所獲得的產物當成垃圾倒掉時，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《化學學報》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術報告，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，并負責連接A鏈和B鏈。1964年初，北大化學系的陸德培、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、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晶。
回顧牛胰島素的合成工作，科學研究中的協(xié)作和團結一直是王仲良、王應睞、汪猷等堅持的原則。這項工作中，中國科學家在特殊時期對待科學的態(tài)度以及科學精神也得到凸顯，特別是他們對待科學研究的嚴謹，這與當時“浮夸”的風氣是格格不入的。汪猷的研究風格在胰島素的工作中顯現(xiàn)出來，特別是他對合成科學中嚴謹?shù)陌盐蘸蛷娬{。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。當時我們戲稱這叫過五關、斬六將”。因為在胰島素全合成近200步的反應中，任何一步的產物不純，都會影響到以后的合成。這也是汪猷非常強調元素分析等分析方法的原因所在，也只有如此，才能保證科學研究的可重復性和可證實性。正是因為如此，才能高質量地實現(xiàn)了全合成。胰島素的合成進行了多次重復實驗，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鏈共重復了27次，分16批進行，其中兩批進行了結晶。中間肽段通過幾種方式合成，增加了可靠性。關鍵數(shù)據(jù)經過多次重復。
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)來證實中間產物的純度以保證合成過程的可靠性之外，當1965年9月17日得到結晶時，即便清楚地知道這項工作在國際上取得發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權的重要性，在1965年11月國家科委為人工合成結晶牛胰島素舉行的鑒定會上，以汪猷為首的一些有機化學家認為證據(jù)還不夠充分，并給出結論：“可以認為已經通過人工全合成獲得了結晶牛胰島素”，并希望“對于全合成最后結晶產物，應進一步分析鑒定，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)所合成的結晶產物，其帶電荷的性質、層析行為、免疫化學性能、一級結構中的三個硫硫鍵的結合方式，以及降低血糖的生理作用，均與天然胰島素無異，“這些數(shù)據(jù)充分證明了，我們所合成的結晶產物就是結晶牛胰島素?！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“上述結果充分證明了人工全合成的結晶產物就是牛胰島素?！?/span>
特別值得一提的是，除了對科學研究可證實性的強調，中國科學家對新的分析技術的建立也很敏感。在中國科學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，而分析技術對合成科學的重要性不言而喻。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。當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，這些分析技術的建立，無疑為后來的胰島素合成工作提供了堅實的基礎。如在1965年4月4日至8日，有機所與北大召開了關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”。
對科學研究嚴謹性的追求、對新的分析技術的建立和探索，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的宣揚而言，中國科學家在20世紀60年代對作為核心的科學精神的把握，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，乃至中國科學的研究傳統(tǒng)和風格。
3 發(fā)揚科學傳統(tǒng)，合成我們的未來
在中國科學家通過合成方法獲得結晶牛胰島素的過程中，肽合成技術取得了突破性進展，1963年美國科學家梅里菲爾德(R. B. Merrifield) 提出了固相多肽合成技術，并在1966年利用該技術合成了牛胰島素，這一突破性合成方法的發(fā)明較之經典的多肽合成方法，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，而且產率很高，因而為生命科學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。在中國科學家合成胰島素之后，美國的實驗室重復了他們的工作，國際上在保護基的選擇、產物的分離提純以及固相和液相兩種方法的結合應用上做了大量工作。此后，有機合成化學家還利用該固相多肽合成技術對生理活性寡糖的模擬合成，不僅能夠驗證天然存在寡糖—生物功能關系的重要結論，而且能為進一步化學修飾，合成自然界不存在但具有強大生理功能的產物創(chuàng)造條件，且可以大量制備、產物結構可以根據(jù)需要任意設計，因而對于研究寡糖結構—功能的關系是必不可少的方法。
從胰島素的合成歷程中，我們看到，合成化學為探索生命規(guī)律提供了重要的方法和物質基礎。不僅如此，隨著合成科學的進展，它在人類未來的發(fā)展中，有著重要的意義。2001年度諾貝爾化學獎得主野依良治指出：化學是現(xiàn)代科學的中心，而合成化學則是化學的中心。另外，有機所通過結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移核糖核酸的全合成，奠定了以合成科學為特色的學科基礎。
合成化學的主要任務是實現(xiàn)從小分子到大分子、從單分子基元到超分子體系的構筑，實現(xiàn)化學、區(qū)域和立體選擇性的控制，同時創(chuàng)造出具有理想性質和功能的新物質。合成化學是多個基礎和應用學科領域的基石，與生命、健康、農業(yè)、材料和能源等領域密切關聯(lián)。20世紀合成化學的發(fā)展徹底改變了人類社會生產、生活方式，這很大程度上歸功于它強大的創(chuàng)造力，因為通過化學合成不僅可以制造出自然界業(yè)已存在的物質，還可以創(chuàng)造出具有理想性質和功能的、自然界中不存在的新物質。進入21世紀以來，已有四次諾貝爾化學獎授予合成化學領域的科學家，反映了這一領域的巨大創(chuàng)造力和活力，以及合成化學對科學和人類社會的貢獻。在分子水平上探討生命現(xiàn)象，弄清生物大分子的結構并對其進行有目的的操作是21世紀的化學家進行方法創(chuàng)新的新途徑?；瘜W生物學這門研究生命過程中化學基礎的科學的出現(xiàn)，為使用小分子作為工具解決生物學的問題或通過干擾/調節(jié)生命過程而了解蛋白質的功能成為可能，也為新世紀化學的發(fā)展特別是充分發(fā)揮合成化學的創(chuàng)造力提供了更為廣闊的
空間。
當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。但合成科學的新進展，以及新出現(xiàn)的合成生物學，使得合成生命不再遙不可及?？茖W家利用化學小分子替代基因誘導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”需要更高水平的科學創(chuàng)造力，以探索其無限的可能性，合成更美好的未來。未來的合成化學必須是經濟的、安全的、環(huán)境友好的以及節(jié)省資源和能源的，科學家需要為實現(xiàn)“完美的合成化學”而努力。一直以來，上海有機化學研究所以她卓越的合成科學在中國的科技進步、經濟社會發(fā)展和國防建設中發(fā)揮了不可替代的作用。“通過合成創(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“轉化分子科學”，謀劃新一輪的發(fā)展戰(zhàn)略：圍繞轉化分子科學前沿的重大科學問題和國家重大需求，匯聚最具創(chuàng)新活力的合成化學人才，以化學鍵活化、斷裂和重組的本質規(guī)律認識為基礎，以分子轉化的精準調控為突破口，以新物質創(chuàng)制和新過程發(fā)現(xiàn)為載體，做出原創(chuàng)性、變革性的科學成果，引領合成科學領域的發(fā)展，為中國經濟社會的可持續(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、國際一流的轉化分子科學卓越中心。
（本文原發(fā)表于《生命科學》2015年第27卷第6期）