湯卡羅(1939—)，，北京大學(xué)化學(xué)系（學(xué)院）教授。1957年考入北京大學(xué)化學(xué)系，1963年本科畢業(yè)后師從邢其毅院士讀研究生。1966年研究生畢業(yè)，1968年被分配到重慶西南制藥一廠工作，任技術(shù)員。1978年調(diào)回北京大學(xué)從事科研與教學(xué)工作。歷任化學(xué)系（學(xué)院）講師、副教授、教授等職，曾任國(guó)際雜原子化學(xué)會(huì)（ICHAC) 顧問(wèn)委員會(huì)成員，兼任第26屆北京大學(xué)校工會(huì)兼職副主席，教代會(huì)執(zhí)委會(huì)副主任委員等職。早年參加人工合成結(jié)晶牛胰島素的工作，作為北大科研組成員之一到上海與中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所及生物化學(xué)研究所合作，于1965年在國(guó)際上首次完成了結(jié)晶牛胰島素的全合成。調(diào)回北大后，主要從事金屬有機(jī)化合物和原子簇合物的合成和結(jié)構(gòu)研究，為納米材料的合成開(kāi)創(chuàng)了新的途徑。
湯卡羅
提起建國(guó)以來(lái)的科研成就，不少人就會(huì)想到人工合成結(jié)晶牛胰島素，甚至有人將其與我國(guó)“兩彈一星冶的成功研制相提并論；但是也有些人不以為然，以為人工合成胰島素只不過(guò)是做了一個(gè)治療糖尿病的藥，沒(méi)有什么了不起的，因?yàn)槠駷橹乖谂R床上廣泛用于治療糖尿病的主要藥物就是由生物學(xué)方法提供的胰島素制劑。本文就人工合成胰島素的意義，完成這個(gè)科學(xué)難題的曲折過(guò)程，以及在這個(gè)重大的科研項(xiàng)目中體現(xiàn)了什么樣的精神，談一些個(gè)人的粗淺看法。
1、人工合成胰島素的意義
要闡明人工合成胰島素的意義，先要談?wù)勈裁词且葝u素。人和動(dòng)物體內(nèi)的胰島素是一種由胰島的β細(xì)胞分泌的有激素作用的蛋白質(zhì)。人們對(duì)胰島素的研究已經(jīng)有200 多年的歷史。早在1788年，Coroley 醫(yī)生就觀察到胰臟的功能與糖尿病有密切的關(guān)系；而真正從胰臟中提取出胰島素直至1922年才由加拿大外科醫(yī)生F. G. Banting和C. H. Best完成。1952年，Craig 測(cè)定單體胰島素的相對(duì)分子質(zhì)量接近6000(不同的生物有細(xì)微的差別，牛胰島素的相對(duì)分子質(zhì)量為5733)，是相對(duì)分子質(zhì)量最小的蛋白質(zhì)之一[3] 。英國(guó)科學(xué)家Sanger經(jīng)過(guò)10年的努力，于1955年測(cè)定了胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)，確定胰島素由51個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成。這些氨基酸殘基按一定的順序連成A、B兩條鏈，其中A鏈有21個(gè)氨基酸殘基，B鏈有30個(gè)氨基酸殘基，兩鏈之間通過(guò)2 個(gè)二硫鍵相連，A 鏈中另有一個(gè)二硫鍵的內(nèi)部連接。這是人類(lèi)第一次確定天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，為此他獲得了1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。單單測(cè)定胰島素的結(jié)構(gòu)就用了10年時(shí)間，由此不難想象，用化學(xué)合成的方法把這么多氨基酸按一定順序一個(gè)個(gè)連接成一個(gè)有生物活性的蛋白質(zhì)該有多么困難。所以，當(dāng)Sanger獲得諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，世界權(quán)威雜志Nature發(fā)表的評(píng)論說(shuō)“人工合成胰島素還不是近期所能做到的。
然而，我國(guó)科學(xué)家從1958年開(kāi)始，經(jīng)過(guò)6年多的努力，在1965年9月成功地獲得了人工全合成牛胰島素的晶體，這是世界上第一個(gè)人工合成的具有生物活力的結(jié)晶蛋白質(zhì)。美國(guó)科學(xué)家在Science雜志上發(fā)表文章，介紹中國(guó)人工合成胰島素領(lǐng)先于美國(guó)和德國(guó)，承認(rèn)中國(guó)科學(xué)家是這場(chǎng)競(jìng)賽的贏家。德國(guó)的H. Zahn教授在看到1965年11月《中國(guó)科學(xué)》發(fā)表的全合成結(jié)晶牛胰島素的簡(jiǎn)報(bào)后，很快來(lái)信祝賀我們“第一次完成了結(jié)晶牛胰島素的全合成”，并多次在國(guó)外公開(kāi)場(chǎng)合給予承認(rèn)。瑞士皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)化學(xué)組主席蒂斯利尤斯(A.Tiselius)在1966年對(duì)人工合成胰島素評(píng)價(jià)說(shuō):“人們可以從書(shū)本中學(xué)到制造原子彈，但是人們不能從書(shū)本中學(xué)到制造胰島素。”
早在1873年，恩格斯就在《自然辯證法》一書(shū)中提出“生命是蛋白體的存在方式”，“如果有一天用化學(xué)方法制造蛋白體成功了，那末它們一定會(huì)顯示生命現(xiàn)象，進(jìn)行新陳代謝，雖然可能是很微弱的和短暫的。”人工牛胰島素的合成開(kāi)辟了人工合成蛋白質(zhì)的時(shí)代，標(biāo)志著人類(lèi)在認(rèn)識(shí)生命、探索生命奧秘的征途中邁出了關(guān)鍵性的一步，從而成為我國(guó)自然科學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。它推動(dòng)了一系列的相關(guān)課題，包括胰島素晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定、胰島素結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究，直至人工合成酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸等，促進(jìn)了生命科學(xué)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。
2、攻克難題一波三折
Sanger測(cè)定了胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)后，在1958年大躍進(jìn)的形勢(shì)下，我國(guó)科學(xué)家(主要來(lái)自中國(guó)科學(xué)院上海生化所和北京大學(xué))大膽提出了人工合成胰島素的課題，得到了國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的支持。當(dāng)時(shí)的條件可以說(shuō)是“一窮二白，合成和分析所需要的設(shè)備、儀器以及很多種氨基酸、試劑、溶劑等都不能由國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，更缺乏有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家。當(dāng)時(shí)流行的口號(hào)是“敢想敢干，從1959 年開(kāi)始做一些前期工作，到1960年初發(fā)展為“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”。北京大學(xué)化學(xué)系師生和少數(shù)生物系的師生共約300 人參加了這場(chǎng)科研會(huì)戰(zhàn)。低年級(jí)的學(xué)生主要負(fù)責(zé)氨基酸和試劑的制備，溶劑的提純等；高年級(jí)的學(xué)生則參與小肽的合成。大家夜以繼日，24 小時(shí)兩班倒，沒(méi)有周末，沒(méi)有節(jié)假日。當(dāng)時(shí)我作為北京大學(xué)化學(xué)系大三的學(xué)生，先是參加了絲氨酸的提取，后又參與了A、B鏈的拆合研究。據(jù)報(bào)道，正式參與過(guò)這個(gè)項(xiàng)目的至少有中國(guó)科學(xué)院上海生化所、有機(jī)所、藥物所、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等8個(gè)單位，估計(jì)參加過(guò)這項(xiàng)目的研究人員有幾百人之多。這番違背科學(xué)規(guī)律的人海戰(zhàn)術(shù)式的科研，除了巨大的浪費(fèi)外，未有切實(shí)的成果。
1960年底，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)陷入了極度困難時(shí)期，中央決定對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)行“調(diào)整、鞏固、充實(shí)、提高冶八字方針。科學(xué)院和教育部領(lǐng)導(dǎo)也對(duì)科研工作進(jìn)行了調(diào)整，“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”從此收兵。此后，生化所、有機(jī)所和北京大學(xué)化學(xué)系留下二三十名精干力量，堅(jiān)持踏踏實(shí)實(shí)的研究，做出了一系列成果，發(fā)表了一些論文。
1963年下半年，美國(guó)匹茲堡大學(xué)生物化學(xué)系的P. G. Katsoyannis副教授和原聯(lián)邦德國(guó)羊毛研究所的H. Zahn教授先后以簡(jiǎn)報(bào)的形式宣布，他們合成了有微弱活性(相當(dāng)于結(jié)晶胰島素活力分別是0.5% ~1.2%和0.5%~1%)的人工胰島素。這些消息給我國(guó)研究者很大的震動(dòng)——如果別人搶在我們之前做完了，那我們就前功盡棄了。經(jīng)過(guò)分析，估計(jì)對(duì)手還需要一段時(shí)間才能完成全合成。
為了與美國(guó)人、德國(guó)人爭(zhēng)時(shí)間、搶速度，在國(guó)家科委的領(lǐng)導(dǎo)下，決定由北京大學(xué)化學(xué)系和中國(guó)科學(xué)院有機(jī)所、生化所集中在上海成立3支團(tuán)隊(duì)，協(xié)同作戰(zhàn):由北京大學(xué)化學(xué)系邢其毅教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)到上海有機(jī)所和汪猷教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)匯合，共同負(fù)責(zé)胰島素的A鏈的合成；由上海生化所鈕經(jīng)義教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)合成B 鏈；由上海生化所鄒承魯教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)負(fù)責(zé)拆合，提高A、B鏈的重組活性。1964年3月，在邢其毅教授與化學(xué)系副系主任文重老師的帶領(lǐng)下，北京大學(xué)化學(xué)系有機(jī)教研室的陸德培、李崇熙、季愛(ài)雪、施溥濤和葉蘊(yùn)華5位年輕教員克服了工作上、生活上的困難，奔赴上海。我作為邢其毅教授的研究生，也于1964年8月去上海參加這場(chǎng)科研協(xié)作。
合成胰島素的工作量非常大，難度非常高。首先要設(shè)計(jì)合成的路線(xiàn)和方法，這是前人沒(méi)有做過(guò)的事情，沒(méi)有現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，都需要在實(shí)踐中摸索。組成胰島素的51個(gè)氨基酸，除了4個(gè)甘氨酸外，其他47個(gè)氨基酸都具有不對(duì)稱(chēng)碳原子，還有27個(gè)側(cè)鏈官能團(tuán)。合成這樣大的分子，總共有200多步反應(yīng)，官能團(tuán)需要加以保護(hù)，而且每步都不能消旋。另外，其中一些大的肽段溶解度極低，必須尋找特殊的溶劑。做過(guò)化學(xué)合成的人都知道，每一步反應(yīng)的得率在80% - 90%就很不錯(cuò)了，有時(shí)還達(dá)不到。所以往往最初的反應(yīng)用幾十克甚至上百克的原料，但到最后只得到幾毫克甚至幾微克的產(chǎn)品。不但工作量大，而且要步步緊扣，要對(duì)反應(yīng)的產(chǎn)品進(jìn)行分離純化、分析鑒定。每得一個(gè)縮合產(chǎn)品都需要經(jīng)過(guò)元素分析、紅外光譜、旋光、層析、電泳、酶解及氨基酸組分的分析等嚴(yán)格鑒定，任何一項(xiàng)不合格，都需要進(jìn)一步提純后再分析，保證全部通過(guò)。參與這項(xiàng)工作的人員都非常努力，全心全意，一步一個(gè)腳印地干，每天工作到深夜，沒(méi)有周末、沒(méi)有節(jié)假日。
1964年8月，上海生化所鈕經(jīng)義教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)成功地合成了人工B鏈，同天然的A鏈相連接，得到了半合成的牛胰島素；1965年5月，北京大學(xué)和上海有機(jī)所聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功地合成了人工A鏈，同天然的B鏈相連接，也得到了半合成的牛胰島素；與此同時(shí)，上海生化所鄒承魯教授的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的研究，大大提高了A、B鏈的重組收率，可以達(dá)到50%，為胰島素的全合成提供了很好的條件。1965年9月17日，令人興奮的時(shí)刻終于來(lái)臨了——世界上第一個(gè)人工全合成的牛胰島素晶體誕生了！
國(guó)家科委先后兩次組織著名科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)鑒定，證實(shí)人工全合成牛胰島素的結(jié)構(gòu)、生物活力、物理化學(xué)性質(zhì)、結(jié)晶形狀和天然的牛胰島素完全一樣。在漫長(zhǎng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，我們贏了！
3、合成胰島素團(tuán)隊(duì)的寶貴精神
當(dāng)年，我作為一名在校研究生有幸參加了這項(xiàng)重大的科研項(xiàng)目，雖然只有短短的一年多時(shí)間，但是得到了鍛煉，學(xué)到了許多在書(shū)本里學(xué)不到的東西。人工合成胰島素的精神鼓勵(lì)著我，對(duì)以后的學(xué)習(xí)和工作起到了重要的作用，真是受益一生。
(1) 敢做難題、勇攀高峰的精神。合成有生物活性的蛋白質(zhì)是一項(xiàng)非常困難的、前無(wú)古人的科研項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)的研究基礎(chǔ)和物質(zhì)條件又都很薄弱，但是我國(guó)科學(xué)家不畏艱險(xiǎn)，敢于攀登世界科學(xué)高峰的精神是非常偉大的，這樣的精神值得現(xiàn)代科學(xué)工作者學(xué)習(xí)。我認(rèn)為，搞科學(xué)研究不可急功近利，不能只選一些“短、平、快”的課題，不可片面地追求論文的數(shù)量，要敢于啃硬骨頭，持之以恒，終究能做出有分量的科研成果。
(2) 顧全大局、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。胰島素的合成在1964年以后的短短一年多的時(shí)間里就取得了成功，最重要的一條就是團(tuán)隊(duì)協(xié)作，集中優(yōu)勢(shì)兵力打殲滅戰(zhàn)。胰島素研究的開(kāi)始階段是各單位單獨(dú)搞，甚至北京搞“北京牌”，上海搞“上海牌”。后來(lái)，我們?cè)趪?guó)際競(jìng)爭(zhēng)中不分彼此，全國(guó)一盤(pán)棋，團(tuán)結(jié)一致，一起搞“中國(guó)牌”。在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中往往要犧牲一些小單位的利益，例如我們北京大學(xué)有機(jī)教研室，如果在北京大學(xué)搞研究，就可以建設(shè)我們自己的實(shí)驗(yàn)室，還可以兼顧本教研室的其他科研和教學(xué)工作。為了國(guó)家利益，我們做出了“犧牲”。團(tuán)隊(duì)協(xié)作搞大項(xiàng)目還可以培養(yǎng)人才。我當(dāng)時(shí)作為研究生需要完成研究生的畢業(yè)論文，邢先生為我選擇了相對(duì)獨(dú)立的課題“牛胰島素A 鏈帶保護(hù)基的氨端九肽的合成”，用自己合成的A鏈氨端前4肽A1-4和后5肽A5-9，用疊氮法縮合成九肽，其結(jié)果和其他同事用DCC法合成的九肽性質(zhì)完全一樣，收率還提高了。
(3) 艱苦奮斗、不計(jì)名利的精神。我們這支專(zhuān)業(yè)科研隊(duì)伍年輕，除了幾位老專(zhuān)家，其余人的平均年齡不到30歲，敢想、敢說(shuō)、敢干，刻苦鉆研，努力工作，每天加班加點(diǎn)，幾乎沒(méi)有休息過(guò)周末和節(jié)假日。但是我們從來(lái)沒(méi)有要過(guò)加班費(fèi)和津貼，發(fā)表論文也從來(lái)不爭(zhēng)排名，得到一點(diǎn)微薄的稿酬還都捐贈(zèng)了。一些年輕教員結(jié)婚不久，孩子才一兩歲，但是他們放下小家顧大家，一心撲在工作上。這樣的精神值得現(xiàn)代的年輕人學(xué)習(xí)。
(4) 嚴(yán)格認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的精神。與“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”不同，在胰島素合成中，由于有老專(zhuān)家“嚴(yán)字當(dāng)頭，嚴(yán)格把關(guān)，年輕工作者都養(yǎng)成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。每做一個(gè)中間體都要有全面的分析數(shù)據(jù)，所謂“過(guò)五關(guān)、斬六將”，來(lái)不得半點(diǎn)虛假和馬虎。這樣的科學(xué)作風(fēng)伴隨著我一輩子，在我以后的學(xué)習(xí)和工作中，一直這樣要求自己，認(rèn)真記好實(shí)驗(yàn)記錄，嚴(yán)格要求每個(gè)產(chǎn)品的分析數(shù)據(jù)。我也這樣要求我的一批又一批的學(xué)生，希望他們傳承下去。
人工合成結(jié)晶牛胰島素已經(jīng)過(guò)去50年了，我也退休多年，但是胰島素的精神永遠(yuǎn)不會(huì)忘記，也不應(yīng)該忘記。這些精神對(duì)現(xiàn)代的科研工作仍有現(xiàn)實(shí)意義，但愿這種精神發(fā)揚(yáng)光大、代代相傳，推動(dòng)我國(guó)的科研事業(yè)取得更大的成果。
（本文原發(fā)表于《大學(xué)化學(xué)》第30卷第2期）