全 文 ：第27卷 第6期
2015年6月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 27, No. 6
Jun., 2015
文章编号：1004-0374(2015)06-0670-03
DOI: 10.13376/j.cbls/2015093
成功进行人工全合成结晶牛胰岛素中的科学精神
林其谁，李伯良
(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所，上海 200031)
1965年 9月 17日是科技界值得怀念的日子，
中国科学研究人员在实验中观察到人工全合成牛胰
岛素的结晶，确证了人工全合成结晶牛胰岛素工作
终于成功。这是世界上第一次用人工方法合成了与
天然分子相同化学结构并具有生物活性的蛋白质，
标志着人类在认识生命、探索生命奥秘的征途中迈
出了里程碑式的飞跃和开拓了人工全合成蛋白质的
新时代，在生命科学研究发展史上有永恒的意义与
影响。实际上，人工全合成结晶牛胰岛素的成功完
全依赖于一系列的科学精神。
1　研究项目提出与准备
1958年夏，中科院上海生化所的高级研究人
员座谈会上提出了三方面研究，其中之一是人工合
成蛋白质的基础理论项目。在所长王应睐主持所内
外学术交流基础上，依据国际上已有氨基酸一级序
列结构报道的唯一蛋白质是胰岛素，生化所于 1958
年 12月 18日正式确定了人工合成胰岛素项目，并
于 1959年列入国家科研计划。这是中国科学家们，
在当时中国环境下显示的创新胆略和科学雄心。
1955年英国桑格阐明胰岛素一级结构，由 21
个氨基酸的 A链、30个氨基酸的 B链，通过两对
二硫键连接而成，还有 A链内一对二硫键，全蛋白
有 17种氨基酸及分子量为 5 733等特征。此时，
Nature期刊也曾预言“合成胰岛素将是遥远的事
情”。而中国科学家们跨越“遥远”进入人工合成
胰岛素的前沿项目探索之时，除了掌握国际文献报
道、了解学术前沿动态外，着手进行了一系列艰难
的准备工作，包括人工合成胰岛素中所必需的原料
试剂，如氨基酸来源的解决、各种技术方法的建立
和研究策略、技术路线的确定等等，以确保项目的
实验探索。这些在当时的生化所都进入较系统性的
全面安排和一步一个足印地推进。
2　多路摸索与研究策略
人工合成胰岛素一经推出，就有针对性地讨论
了一系列科学问题。例如：胰岛素由两对二硫键连
接 A、B二条肽链组成，是否二条肽链可分开合成
林其谁 (1937—) 研究员，中国科学院院士。原中国科学院上
海生物化学研究所所长 (1984—1995)，历任国家重点基础研究发
展计划第一、二、三、五届专家顾问组成员。从事生物膜结构与
功能研究，包括线粒体呼吸链氧化磷酸化、解偶联蛋白、膜脂与
多肽相互作用、膜上信号转导受体等。
李伯良 (1950—)研究员。原中国科学院上海生物化学研究所
所长 (1995—2000)。从事胆固醇代谢平衡的基因表达调控研究，
包括人 ACAT基因的组织结构、表达调控及其与胆固醇代谢平衡
过程的生理病理关系等。
前排：王应睐
后排左1：林其谁；左2：李伯良
林其谁，等：成功进行人工全合成结晶牛胰岛素中的科学精神第6期 671
的问题 (涉及完全不同的研究策略和技术路线 )；
即使分开合成了 A、B二条肽链，有关二硫键连接
有顺接、反接、多接等众多的可能性，是否能正确
连接的问题 (当时国外文献讨论对正确连接率很悲
观 )；如能提高合成 A、B二条肽链的正确连接率，
是否获得的合成胰岛素会形成具有生物学活性构型
的问题 (当时有关蛋白质构型研究的方法极其有
限 )；假如要合成 A、B二条肽链，是有机合成、
还是酶促或转肽合成相结合的问题 (有关肽链全有
机合成，当时国际上最长仅有合成由 13个氨基酸
残基组成的多肽链的文献报道 )；如是全有机合成，
则涉及合成肽段的适宜长短、肽段之间缩合的方式
与方向、合成前后的氨基酸基团保护与去保护的问
题 (当时国际上还无大于 13个氨基酸肽链合成的
文献报道 )，等等。
在中国当时的极端困难环境下，生化所以科学
家们的专长领衔，进行合成胰岛素前期的兵分五路
摸索，包括有机合成、天然胰岛素拆合、肽库及分
离分析、酶激活和转肽。经过反复的实验摸索，不
断的交流讨论，及时的分析总结，在天然胰岛素 A、
B肽链拆开再将它们重组合的实验探索中成功使拆 -
合重组合胰岛素的活性提高到 50%时，就果断地
将重心集中到有机合成、胰岛素拆合与复性、分离
分析这三方面工作上。因为，前期阶段工作摸索的
结果，不但显示天然胰岛素 A、B肽链的可成功拆
开和重组合，还表明只要合成具有正确氨基酸排列
顺序的 A、B肽链，在适宜条件下就可使合成 A、
B肽链的正确二硫键形成和肽折叠趋向于与天然胰
岛素相同的特殊构型。进而，明确了人工合成胰岛
素的研究策略，即分别有机合成 A和 B两条肽链，
再进行组合复性，最后鉴定生物学活性和各种理化
性质。
特别值得一提的是，生化所正式确定人工合成
胰岛素项目的同时，就摸索并建成了专门制备氨基
酸等试剂的工厂——东风生化试剂厂，不但为人工
合成胰岛素项目，也为我国的相关研究提供了大量
的生化试剂，不愧为转化应用的早期典范。
3　实验设计与技术路线
在人工合成胰岛素的多路摸索中，不管是天然
胰岛素拆合实验以确定研究策略，还是肽链有机合
成实验以成熟技术路线，成功均源自于始终不断设
计和系统优化实验、始终不断重复和交流总结实验、
始终不断调整和大胆探索实验等。而且，在非常多
的各种小试实验中，确确实实印证了“失败是成功
之母”，科学前沿探索不但要有胆略，还必须要有
毅力和敢于自信、善于坚持。
在天然胰岛素拆合早期实验中，涉及到大量的
实验设计，有书面总结的 98次实验 (包括胰岛素
还原和 A、B肽链的分离纯化、定量分析、重氧化等 )
结果表明，胰岛素活性的出现正是由于拆开的 A、
B二条肽链的正确重组，而非由于少量残留的天然
胰岛素。而后的 2个月，又进行 100多次的胰岛素
拆合条件及酸性仲丁醇抽提复性的优化实验，才可
重复地获得了拆合后的高活性重组合胰岛素结晶，
并且进行一系列的生化鉴定包括兔血糖降低和小鼠
惊厥活性定量测定、电泳及层析行为分析、酶解图
谱分析及含硫肽段定位等。这些为研究策略和技术
路线的确定等奠定了厚实的基础。
在有机合成胰岛素肽链的实验中，从制备保护
基和缩合剂及其性能分析，建立氨基酸和肽段的缩
合方法，到不同氨基酸的特异性保护、不同肽段的
缩合方式和缩合方向，同样涉及非常大量的实验设
计。而且，在进行了多年的难以计数的实验后，才
获得共识性的有机合成技术路线，提出对胰岛素的
A、B肽链的有机合成既有共性，也有各自特异性。
尤其是，有关缩合肽段的保护与大小，在实验中不
断调整，直至达到不同层次的保护基最后均稳定且
又可全部去除、C端到 N端的定向缩合、避免消旋
的缩合等，组成了成套的技术方法。这些大量的每
一个难点，都通过了无数次的实验设计解决，也都
是胰岛素 A、B肽链有机合成技术路线的成熟和应
用的积累。
4　研究创新与协作突破
人工全合成结晶牛胰岛素，是在国际上无蛋白
质合成先例报道的背景下起步探索。一经启动实施，
就面临许多关键性步骤，都必须要有创新性的思路
和胆略，以期能构建适宜的新技术方法和新研究体
系。在我国人工全合成结晶牛胰岛素中关键性的研
究创新包括：天然胰岛素的拆合、获得 50%以上
活性的重组合胰岛素结晶、肽段的定向和无消旋缩
合、人工合成肽链低损伤的完全去保护基等。
实际上，人工全合成结晶牛胰岛素过程，是不
断的研究创新过程，而且是在协作中的不断研究创
新，才获得前沿性突破。特别是在当时的环境条件
下，进行了特定专家负责的几次协作，也是获得人
工全合成结晶牛胰岛素突破的重要基础。人工全合
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成结晶牛胰岛素项目，最终由中科院上海生化所、
有机所和北大化学系共同完成中，也有两个阶段的
协作。一是在 1960年 10月中科院上海生化所与有
机所之间的协作组协调；二是 1964年 2月中科院
生化所、有机所与北大化学系的协作组协调。在生
化所负责有机合成 B肽链进展较快的基础上，协作
组协调有机所与北大化学系有机合成了 A肽链，确
保了生化所利用天然胰岛素拆合与重组合复性的技
术方法及经验进行有机合成 A、B两条肽链的成功
组合。
5　学术思路与科学实验
生化所在确定人工合成胰岛素项目时，提出许
多针对性的学术思路，如摸索拆合天然胰岛素，摸
索有机合成胰岛素 A、B肽链等。人工全合成结晶
牛胰岛素中，通过大量的科学实验获得结果，不断
验证了这些重要的学术思路。
人工全合成结晶牛胰岛素的关键性科学问题之
一，是三对二硫键是否能正确连接、正确连接后又
能否形成有活性的蛋白质构型？尽管当时国际上天
然胰岛素拆合中几乎观察不到重组合胰岛素的活
性，致使国外文献讨论对二硫键的正确连接率很悲
观，以及那时研究蛋白质构型的方法也极其有限，
但需要对天然胰岛素拆合进行深入科学实验，尤其
重视的是有活性重组合胰岛素的科学实验。人工全
合成结晶牛胰岛素的成功，是第一次证实了二硫键
形成具有高选择性而肽链可趋向于折叠成与天然胰
岛素相同的特殊构型，亦是第一次以实验结果证明
了蛋白质高级结构取决于一级结构。
人工全合成结晶牛胰岛素的另一关键性科学问
题，有机合成能否达到胰岛素 A、B两条肽链分别
为 21、30个氨基酸的长度。这在当时国际上最长
仅有合成由 13个氨基酸残基组成的多肽链的文献
报道条件下，对此关键性科学问题也需要进一步的
详细科学实验，特别关注的是不同层次保护基的最
终稳定性与可去除性、适宜大小肽段的定向缩合等
技术方法。人工全合成结晶牛胰岛素的成功，则是
第一次证实了可化学合成生物大分子，并且意味着
蛋白质能化学合成、核酸也能化学合成，实际上后
者确实很快成功。
综上所述，人工全合成结晶牛胰岛素的成功完
全依赖于一系列的科学精神，实现了继 1828年德
国化学合成第一个有机分子尿素之后的又一次飞
跃，1965年中国化学合成了第一个生物大分子胰岛
素，同时使前沿更有信心追求高一级飞跃，如重组
合成生命细胞等。当然，还有极重要因素是人，特
别是那个年代的专家们与年轻人们的热情奋进和几
次协作组组长王应睐的核心作用，使闯过了许多异
乎寻常的难关，做了前人所没有做的事情。另外，
值得一提的是，当时的中科院管理，有敢于体现领
导责任的各级行政，如当时的上海分院各研究所专
家们就没有一位是“右派分子”，表明行政可确保
发挥专家们带领年轻人的热情奋进。