1953 年 DNA 结构的解析开始的那场分子生物学革命为生命科学的研究提供了新的动力。1958 年，Francis Crick 提出了「中心法则」，指明了生物的细胞中存在着「DNA → RNA → 蛋白质」这样一条路线，从此生命科学的研究进入了一个新的时期，这是创新的时代，更是激动人心的年代，这一事情涌现出了许多的英雄人物，今天回顾起来，生物大分子结构的解析、大分子的合成、基因调控的发现等划时代的发现竟然同时出现在这一时期，这一时期还涌现出了许多新的技术以及一些著名的实验室，它们至今仍然影响着今天的研究者。这一时期被著名的演化生物学家 Edward Wilson 称为「分子战争」，所有的研究者都希望能在这片新大陆开疆拓土，占据自己的一席之地。
早在这场「分子战争」开始之前，中国的科学家就曾经在生物化学领域有过非常重大的贡献，这一工作今天回顾起来仍然叫人惊叹。在 1931 年，吴宪（Hsien Wu）教授提出了蛋白质变性的理论。吴教授 1920 年毕业于哈佛大学，毕业后他回国在长期在协和医院工作，因此他关于蛋白质的工作是他在国内进行的，他在蛋白质变性前后溶液物理性质的变化方面做了许多工作，发表了十余篇论文。吴教授多年坚持这一工作，在「十年磨一剑」之后，他从这些物理变化中看到了更本质的某些东西，于是在他论文的摘要里提出了更为超前于时代的观点：
天然蛋白质之分子，因环境种种之关系，从有程序而坚密之构造，变为无程序而散漫之构造，是为变性作用。
今天我们回顾吴教授的观点，觉得并没有什么特别，这些东西甚至是高中生所尽知的东西。甚至有人会从这里想到薛定谔所提出的「非周期晶体」的概念。吴教授「有程序而坚密之构造」与薛定谔的观点不谋而合，而薛定谔的《生命是什么》是在 1944 年才发表的。现在我们会认为，薛定谔的作品为五十年代即将到来的分子生物学革命提供了概念上的准备，而其中某些想法早在十余年前就已经被中国的科学家提出来了。在 1930 年，刚刚有了最早的蛋白质晶体，甚至连肽键的结构在科学界都还没有取得共识，吴教授从诸多实验的间接证据出发，就推断出了蛋白质分子的结构特征，因为这实在是非常超前的工作，在当时没有取得应有的注意。直到 64 年后的 1995 年，科学界才重新发现了吴教授的工作，这篇文章被重新发表到了《Advances in Protein Chemistry》，并且配发了吴教授的个人简历及其工作的介绍。
吴宪教授 1947 年离开中国到美国定居。当眼光切换到国内，两年后，共和国建立。分子生物学革命的年代正逢共和国的「十七年」和「文革」，中国的政治制度在这一时期也反复发生改变，从最初构想的新民主主义转变为社会主义，而到了大跃进时期，更是希望能「跑步进入共产主义」。知识分子、科研工作者在这一时期更是饱受磨难，自「反右」起，他们被反复裹挟进一场场的政治运动，中国的科研与世界拉开了巨大的差距。
1958年，中国到了「大跃进」时期，这一时期全国人民陷入了狂热之中，越来越高的农产品产量，越来越多的「钢铁」，在这种大形势下，中国的科研工作者也自然不能落后，因此中国科学院的各研究所都提出了一些「宏大」的构想，其中生化所的科学家们提出了「合成一个蛋白质」的想法，当时因为只有胰岛素已经被 Sanger 测序，因为德国同行在做羊胰岛素的工作，而猪胰岛素中有一个苏氨酸（Thr），因此很快「合成牛胰岛素」的设想就被提了出来，这个设想在「上海市科学技术工作跃进展览会」上得到了毛泽东、周恩来等领导人的注意。
今天我们来谈这个项目，可能会发现很多时间上的错乱感，例如，毛的有关「人工合成蛋白质好」的最高指示究竟是何时发出？我国的科研工作者究竟是何时合成了结晶牛胰岛素？究竟是北京还是上海的实验组合成的？有的人在记忆中可能会记得在大跃进期间（1959年）就有过「国庆献礼」，有的人会记得 1966 年底人民日报上的「毛泽东思想武装的中国人民有志气有能力攀登前人没有攀登过的高峰——我国在世界上第一次人工合成结晶胰岛素」，还有的人会记得 1976 年前后纪念邮票上有胰岛素的结构模型，直到今天，还有一些人在谈「文革」时，会将两弹一星和胰岛素的有关研究列入其中。这种时空错乱感产生的主要原因是，当我们泛泛而谈「胰岛素」的时候，我们实际上把一系列的有关工作混在了一起，并且会泛泛地说这一工作是诺贝尔奖级别的工作，这种讨论其实把整个研究的过程简单化了。这是三个不同的工作，也有着非常不同的命运。
其中，胰岛素的「拆合」工作在大跃进时期作为「国庆献礼」，得到了国家领导人的注意，毛因此说了「人工合成蛋白质好」的话（说这句话的年份仍然有些争议，有 1959 年说和 1965 年说两种），从而其它后续工作的开着变得更顺利，这一工作与 Anfinsen 实验非常类似，但没有得出 Anfinsen 那样的结论，这里的因素我们接下来会仔细分析。到了之后，毛泽东与江青等人都曾经过问有关的研究进展，领导人的关注是中国特色的「中心法则」，至此，已经没有人再敢质疑相关的研究了，特别是当毛对「生命的起源」表现出极大的关心之后：
细胞的起源同题要研究一下。细胞有细胞核、细胞质和细胞膜。细胞是有结构的，在细胞以前一定有非细胞。细胞之前究竟是什么？究竟怎样从非细胞变为细胞？苏联有个女科学家，研究这个问题没有结果。
——毛泽东 1964年8月《关于阪田文章的谈话》
接下来的全合成的工作是在国家主导下的科研。传说中，与胰岛素有关的工作经常会被人提起错过诺贝尔奖的原因是因为「大兵团作战」，在当时的政治气氛下找不到合适的、有限的几个人来申报获奖者，这种说法是有问题的。等到结晶牛胰岛素合成成功之后，没过多久文革就开始了，此后对晶体结构的解析工作与全合成的工作相比，少了国家主导的色彩，虽然科学家们在文革时期遇到很多困难，但事实上又陷入了某种无政府状态，因此工作多了一份独立开展的色彩，而且这一工作得到了诺贝尔奖得主——英国的 Hodgkin 教授的许多帮助。因为篇幅所限，关于中国科学家对胰岛素晶体结构进行解析的这一工作本文后面将不再仔细讨论，接下来将主要介绍和分析中国科学家参与的胰岛素分子的拆合和全合成工作：
（一）首先是胰岛素分子的「拆合」，这一工作的完成人包括杜雨苍和邹承鲁等人，工作主要在大跃进时期进行。
如上图所示（图片来自于维基百科），胰岛素分子由两条链（A 链与 B 链）构成，两条链之间由二硫键连接（图中两条链之间的黄色连接）。二硫键是由两个含有硫的氨基酸残基（半胱氨酸，Cys）脱氢缩合而成的，在胰岛素分子中，不但在两条链之间存在着二硫键，在 A 链的内部也存在着二硫键。二硫键是一种共价键结构，它是形成三级结构的一种重要的相互作用。
在进行全合成的实验之前，我国科学家在大跃进时期尝试的第一步就是去还原胰岛素分子，将已有的生物来源的胰岛素分子拆成两条链，然后再让它们进行自由组合。如果我们只考虑链的组合， 那么这可能会产生 A 与 A，B 与 B，A 与 B 等多种组合，如果考虑不同的半胱氨酸的组合，那么可能的组合数会更多，科学家们希望解决的问题是——将两条链拆分之后，再让它们进行组合，是否有可能组合出天然态结构的胰岛素分子。如果能够组合出具有天然结构的胰岛素分子，那么它占所有可能的比例是多少？这一比例是高于自由组合的比例还是低于或者等于自由组合的比例？
事实上，中国的实验组发现大约 30% 到 50% 的活性被恢复了，这意味着被拆分的两条链，大约一半的分子又重新组合到了正确的结构。这一研究与著名的 Anfinsen 实验有类似之处，但区别也非常明显，其中最明显的区别就是——胰岛素分子有两条链。Anfinsen 是一个幸运的人，今天我们回顾生物学发现的历史，常常会说起孟德尔的幸运（选择了豌豆这一实验材料以及各自独立的一些性状），而事实上 Anfinsen 的幸运毫不逊色与孟德尔。首先，Anfinsen 的实验室在一家肉类公司的养牛场附近，他们与养牛场建立起了很好的合作关系，因此他们有丰富的实验材料；其次，Anfinsen 选择的实验材料是来自于牛胰腺的核糖核酸酶（RNase A），这种核糖核酸酶与胰岛素分子一样具有大量的半胱氨酸，并且在结构中存在 4 对二硫键，因此，如果这些二硫键完全自由组合，那么它们产生的各种组合会是很多的，因此 Anfinsen 的实验一旦成功则会非常有说服力；更让人难以置信的是，Anfinsen 的实验确实可以成功——RNase A 在加入变性剂变性后（二硫键被破坏），如果去除掉这些变性剂，分子又会自己地折叠到其天然状态，并不会出现想象中二硫键自由组合的大混乱，因此 Anfinsen 得出了一个重要的结论：蛋白质的天然态结构由蛋白质的序列决定。幸运的 Anfinsen 因为这一研究获得了诺贝尔奖，他的获奖理由是：因其对核糖核酸酶的研究，尤其是氨基酸序列与生物学上具有活性的构象之间的联系的建立。
科学家们重复 Anfinsen 实验，都能得到正面的结果，但是一旦他们换用其它蛋白质分子进行研究，结果则千差万别，大部分的蛋白质分子并不能像 RNase A 那样可以在变性之后又恢复到其天然状态。很多时候，这一折叠过程还可能需要其它分子的协助。不过 Anfinsen 的工作的重大意义并不能因此磨灭，因为他发现了某种更基本的原则，建立起了序列与天然态结构（能量最低的结构）之间的联系。
我们回到中国的科学家们，中国的科学家在同一时期做了与 Anfinsen 实验非常接近的工作，可是中国的科学家并没有第一时间得出并发表 Anfinsen 那样的结论，为什么会这样？
抛开政治因素，首先我们必须了解这一结果对中国的研究者意味着什么。因为中国的科学家最终的目的是要用化学方法合成整个胰岛素分子，那么前期的许多研究成果都是在为了后期的全合成做准备。如果拆合实验成功，那么就意味着，中国的科学家可以先合成 A 链，然后合成 B 链，最终利用这一结果，得到结晶牛胰岛素。而如果这个实验失败，即二硫键是自由组合的，那么正确的全合成思路应该是从那几个正确的二硫键附近出发，往两头继续不断合成下去，这样做起来的难度就变大了（事实上，当时确实有外国的团队就是这样在做的）。因此如果中国科学家发表了拆合实验的结果，抢先得出了类似 Anfinsen 的结论，那么外国的全合成团队就有可能抢先合成出胰岛素，因此中国的团队没有马上发表这一结论。当然，这告诉我们，在研究的初期就有了明确的目的固然很好，但这就导致在工作的过程中途一旦有了极为重大的发现，也会让人有些犹豫不定。
其次，与 Anfinsen 的单链实验不同，中国科学家设想的胰岛素合成路线与胰岛素的体内折叠、修饰过程是不同的，在体内，胰岛素分子本来按照一条长链来合成的，最终由酶切断才得到两条链的胰岛素分子，因此这一实验的结论距离生物体内的「一级结构决定高级结构」尚有一定的距离。第三，在这个实验里，胰岛素分子里有两条链，除了可能确实「一级结构决定高级结构」之外，也有可能是因为两条链之间存在某种「互相帮助」的作用，因此这里得到的结论不一定能普遍适用于其它分子。
此外，中国科学家们还可能会担心某些其它可能性——例如，只有生物自己合成的两条链具有「互相帮助」的能力，而人工合成的两条链不具有这种能力。因此，在当时，对中国科学家而言，要发表一个类似 Anfinsen 的结论，当时认为更有说服力的方式是——不但在生物体内合成的两条链是可以自己以较大的概率组合出天然态结构，生物体内合成的一条链与人工合成的一条链组合起来，也能同样以较大的概率组合出天然态结构，两条人工合成的链还是可以以较大的概率组合出天然态结构——人工合成的链与生物体内合成的链是等价的。
这是中国科学家获得诺贝尔奖的一个可能的机会，但是当时中国科学家确实没有发表这一结论，等到发表这一结论（包括人工链与人工链的组合，人工链与天然链的组合），已经到了 1964 和 1965 年全合成实验的后期了，这时候 Anfinsen 的工作已经发表，再来强调「一级结构决定高级结构」就已经落后了。
（二）有了上面的工作作为基础，接下来的工作就是要分别用纯化学的方法来合成 A 链与 B 链，然后需要让它们进行组合，组合之后要进行分离提纯，最终得到牛胰岛素分子的结晶。这是一个全合成的工作。其中的 A 链由北大与有机所来合成，B 链由生化所来合成。这个工作的主要完成人包括钮经义、邢其毅等人。
受到大跃进的形势的影响以及之前工作的顺利开展，一个很简单的「分工」方法就被建立了起来，即：既然胰岛素分子可以拆分为两条链，而这两条链又可以再继续拆分为更短的多肽链，只要这样分拆下去，招募足够多的人手，最后把大家合成的链拼接起来，就能很快完成整个工作了。于是，这一工作被分到了不同的研究所、不同的研究小组、不同的研究人员（也包括部分低年级的本科生），大家加班加点地来合成。在 1960 年 5 月 4 日，「大兵团作战」召开了誓师大会，在那样的政治气氛下，不同的研究组和研究人员之间自然地产生了竞争关系，不同的研究组之间不会相互交流，做了大量的低水平重复。每个人、每个组、每个研究单位都在抢着要更快地合成好这一肽段，因为落后很可能就意味着政治上也已经落后了。为了更快地来合成，甚至实验室实行「三班倒」，这边的反应刚到中途，下面一班的实验人员就已经到了现场，这是无比混乱的景象。当然，更为荒诞的是，在大跃进的「大好形势」下，复旦大学直接拿盐的照片「放卫星」，声称他们已经合成了结晶牛胰岛素。幸好这样荒诞的「大兵团作战」半年之后就停了下来，后来，相关的领导在会议上也对此作了自我批评。在「大兵团作战」停下来之后，研究逐步走向正规，但是在合成的方法上并没有创新（例如没有发明固态合成这样的方法），在合成面临很多困难，但是最终在 1965 年成功进行了合成 A 链和合成 B 链的组合，并且终于公开发表了相关的简报和论文，对组合出的胰岛素分子也进行了提纯结晶，于是得到了我们在照片中所见到的结晶牛胰岛素。
结晶牛胰岛素的工作在世界范围内确实是领先的，在六十年代，确实也有其它组在跟中国的研究者竞争，几乎与中国同时，也有其他的实验组生产合成了胰岛素，他们将他们合成的分子注射到小鼠体内，发现确实产生了效果，最终美国的实验组发表胰岛素合成的论文也到了中国的研究之前。但是，毕竟，产生「生物活性」是一个有争议性的提法，如果是足够严谨的研究者，显然不能认为这就有足够的说服力证明已经得到了胰岛素分子。中国在合成胰岛素的工作上有许多化学研究组的参与，对化学家而言，这种似是而非的体内试验是不能忍受的，因此中国的实验组做的分离、提纯和结晶就显得非常重要了。
真正去申报诺贝尔奖的工作就是这个全合成的工作，但是去申报的时间已经到了改革开放时期。这是 1978 年底的事情，因为杨振宁先生是诺贝尔奖得主，他有提名的资格，而且他在 9 月的时候跟邓小平提起了这个事情，到了年底，中科院召集了当年参与了结晶牛胰岛素合成的科学家们带着粮票到北京来开会，确定提名诺贝尔奖的「三人名单」。我们前面已经提到，全合成的过程事实上是以拆合的工作作为基础，因此杜、邹两位老先生显然应当有提名资格，而全合成的工作是重头戏，包括了北大、有机所、生化所三个所，其中生化所合成了一条链，北大和有机所一起合成了一条链，不管怎样来分配这三个名额都可能会造成其它所的不满。最终，会议决定提名钮经义先生一人去提名诺贝尔奖，这不但因为生化所承担了 B 链的合成工作（且 B 链更长），也是因为考虑到这一工作还可能与其它分子的合成工作分享诺贝尔奖，为了保险起见，最终只提名了一人。遗憾的是，这已经是十几年之后了，生命科学和化学在这过去的是十年里又有了许多极有价值的新发展，因为种种原因，这一工作没有获得诺贝尔奖，并从此被中国人念念不忘。
现在回顾起来，中国科学家之所以关注胰岛素的合成，并非是因为他们在那时就已经开始关注血糖有关的各种疾病，更不是为了研究能够批量生产胰岛素的合成路径。选择胰岛素这个分子具有某种巧合，而他们真正关注的问题其实是某种唯物主义的哲学问题，他们希望能用一个具体的实例来为毛等领导人所关心的「生命起源」或者「合成生命」提供一个注解：通过化学路径人工合成的蛋白质分子能与天然态的分子有一样的结构与功能，这再次说明了生命是从非生命的物质中涌现出来的。1978 年是中国改革开放的起点，中国的胰岛素全合成错过了诺贝尔奖，但这一年，胰岛素又在大肠杆菌里获得了新生。1976 年，在美国成立了 Genetech 公司，这是现代基因科技产业的鼻祖，在 1978 年，通过在细菌体内植入胰岛素基因，人类从此不再需要从猪、牛等动物体内获取胰岛素了。1982 年，美国 FDA 核准通过了通过基因工程方式合成的胰岛素，胰岛素终于从此进入了市场。
参考材料：
本文中涉及的关于胰岛素拆合、全合成、结晶等工作的大量历史细节都来自于熊卫民访问整理的，邹承鲁、梁栋材、王贵海等人的口述史《从合成蛋白质到合成核酸》一书。题图的结晶照片来自http://www.qstheory.cn/tbzt/jdjszntbzt/jyyx/201106/t20110602_84711.htm。
（1）邹承鲁 王志珍，从吴宪教授六十四年前一篇论文的重新发表谈起：http://www.bio.pku.edu.cn/news.php?id=1262
（2）王志珍，吴宪与第一个蛋白质变性理论：http://www.bio.pku.edu.cn/news.php?id=1261
（3）毛泽东《关于人的认识问题》：http://cpc.people.com.cn/GB/64184/64185/189968/11568271.html
（4）熊卫民《人工合成胰岛素中鲜为人知的故事》：http://www.aisixiang.com/data/9082.html
— 完 —
本文作者：傅渥成
【知乎日报】
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