鲁达 最近，因袁隆平先生的离世，55年前的杂交水稻研究被人们提及；而几年前诺贝尔奖的颁布，也让屠呦呦先生的青蒿素再一次被世人熟知。殊不知，在新中国成立之后的那个年代，还有一项生物学成就举世瞩目，以至于1966年诺贝尔奖得主的英国生化学家约翰·肯德鲁，在访问中国时曾表示，这是（当时）英国最知名的中国科学成就。
而这一切，都要从1965年9月17日， 那个普普通通的星期五说起。
那一天，年轻的科学家们早早来到了上海市岳阳路320号——中国科学院上海生物化学研究所的实验室里，杜雨苍、龚岳亭等人紧张地围着一个操作台，观察着桌上的小白鼠。
这只小白鼠刚刚完成注射，注射进它体内的，是来自上海生化所和北京大学的三个研究团队、二十多位科学家，耗时七年合成的牛胰岛素结晶。过去欧美科学家合成的胰岛素结晶，进入小鼠体内后都毫无反应，起不到原有的效果。
此时，完成胰岛素A链和B链重组的科学家邹承鲁坐在隔壁房间，焦急地等待着实验的结果。
成败在此一举。
七年努力举世瞩目
七年前，也就是1958年，新中国成立的第九个年头，为了响应国家发展科学事业的号召，献礼国庆十周年，上海生化所决定做一个有分量的项目——人工合成蛋白质。
为什么要合成蛋白质呢？革命导师恩格斯说过：蛋白质是生命存在的形式。蛋白质的确重要，但是合成蛋白质难度非常大，当时世界上还没有成功的先例。如果中国人能合成，那必然举世瞩目。
大的方向确定了，有那么多蛋白质，究竟要合成哪一种呢？其实，在中国科学家的心里早就有了答案——胰岛素。
为什么胰岛素会成为天选之子呢？
胰岛素的一级结构 | 图源：Sun Y, 2015.
首先胰岛素很小，只有51个氨基酸，合成难度相对比较低；同时它也是当时唯一一个已知氨基酸序列的蛋白质。而且在当时，要得到胰岛素只能从动物采集，但采集的效率不高、且含量极低。所以，胰岛素就显得十分珍贵，如果能人工合成会有很高的实用价值。
可说起来容易，做起来是真的困难——中国科学家们没有合成蛋白质的任何经验，各种生化试剂材料极度匮乏，而且胰岛素的两条链（上图所示的A链和B链）还可能会随机拼接，影响最终的结果。也正因为这些麻烦，当时的国外科学家都觉得难以实现。
但是中国科学家没有轻易放弃——对于胰岛素含有的17中氨基酸，八个研究单位新建工厂自己生产。而对于合成胰岛素的最大难关——A链B链的重组——也在邹承鲁团队的攻关下被顺利解决。
年轻时的邹承鲁 | 图源：Wikipedia
另一方面，胰岛素两条多肽链的合成，也在纽经义团队和北大-有机所团队的努力下依次实现，至此，胰岛素合成的几个关键问题也都被陆续解决。
再把时间拨回1965年9月17日，邹承鲁团队的杜雨苍，和纽经义团队的龚岳亭，将合成的牛胰岛素结晶注射到小鼠体内，并开始紧张等待实验的结果。
牛胰岛素结晶
小鼠开始抽筋跳动，发生了显著的惊厥反应——这也昭示着，经过七年的漫长努力，中国成功合成了人类首个在体外具有完整结构的功能性蛋白质。
“整个实验室在场的人们都开始欢呼起来，情不自禁地拥抱庆祝，那实在是一个无法用语言来形容的激动时刻。”当时的龚岳亭回忆到。
小鼠实验成功的场面，右2杜雨苍，右3龚岳亭
诺贝尔奖评审委员会化学组主席阿尔内·蒂塞利乌斯来中国访问时，适逢中国爆炸第三颗原子弹，他说：“制造原子弹是可以从书本上学到的，但合成结晶牛胰岛素却不能。”
合成生物学的突飞猛进
胰岛素人工合成的巨大成功，也昭示着纽经义、邹承鲁、杜雨苍等年轻的中国科学家，已经打开了现代生物学一扇全新的大门：合成生物学。
所谓合成生物学，关键就在于“合成”二字，传统的生物学都以“观察”为主，我们去观察动植物，观察生物体内组织细胞的活动，观察生物化学反应，而合成生物学则是要“翻身做主人”——我们要合成生物分子，合成生物器官，甚至合成生命。人工胰岛素就是合成蛋白质的重要一步。
合成生物学的构想 | 图源：nature communication
20世纪中叶，人类对DNA和遗传物质的进一步了解，促使了21世纪初基因工程技术的快速发展。人类开始尝试改造各种生物来合成燃料、材料、药物，比如通过细菌来合成各种可降解材料，以及像是本来需要从植物中提取的青蒿素等药物。
又或者可以从无到有合成一个全新的基因组，实现生命的创造：比如美国科学家克雷格·文特尔成功创造的世界首例人工合成生命结构——通过将人工合成的DNA基因组导入支原体中，再复制分裂，形成了完全人为设计的生命体。
电子显微镜下观察到的人造生命Syn3.0 | 图源：Hutchison C A, et al. 2016.
略显遗憾的是，在合成生物学的开端，缺少了中国，那个最开始实现了蛋白质合成的重要成员。
中国自己的合成生物学
但正在经历改革开放，快速进入世界发展大潮的中国科学家，很快就意识到了合成生物学的重要性——它是继DNA发现、基因组测序之后的第三次生物学革命，我们可以将生物学转化为工程学的成果了。
21世纪开始世界合成生物学的发展历程 | 图源：赵国屏, 2018.
21世纪的中国科学家，仍然有着1958年时敲定人工合成胰岛素的那种心怀壮志，创新进取的精神与激情：十几年来的不断前进，中国合成生物学的步伐也在逐渐加快。
每年上亿资金的投入，力求开发出生物燃料、生物材料、生物药品等生物制品，来满足14亿人口的需求；
我们合成生物学的技术也逐渐走向世界领先，合成酵母染色体，合成病毒并实现灭活疫苗的构建等等。未来合成真核生物生命指日可待；
在去年的新冠疫情中，中国优秀的合成生物学帮助我们设计了DNA探针，像是追踪器一样准确地检测病毒；此外，合成生物学技术，还可以用来帮助寻找合适的药物或者设计开发高效的疫苗，帮助人们抵抗病毒侵扰。
我们，已经重新回到当初那个实现举世瞩目成就的地位，甚至应该说，早就超越了那个时代，实现了更大的突破与飞跃。
科技立国，我们从人工合成胰岛素，再到现在合成生物学的高速发展。不仅让中国重新回到世界科技舞台，多样的应用也让我们的生活更加美好。
正如张先恩老师所说：“中国的合成生物学，正如蓬勃朝阳，蒸蒸日上。”
参考资料
- Sun Y. The creation of synthetic crystalline bovine insulin[J]. Protein & cell, 2015, 6(11): 781-783.
- 邹承鲁, 对人工合成结晶牛胰岛素的回忆. 光明日报.
- 张佳星, 七年坚持不懈！人工合成胰岛素登顶化学合成之巅. 科技日报.
- 张先恩：中国的合成生物学，正如蓬勃朝阳，蒸蒸日上. 中国科学院院刊.
- 赵国屏. 合成生物学：生命科学的“利器”. 人民日报.
- 张先恩. 中国合成生物学发展回顾与展望[J]. 中国科学: 生命科学, 2019, 49(12): 1543-1572.
- Pei L, Schmidt M, Wei W. Synthetic biology: an emerging research field in China[J]. Biotechnology advances, 2011, 29(6): 804-814.
- Fernau S, Braun M, Dabrock P. What is (synthetic) life? basic concepts of life in synthetic biology[J]. Plos one, 2020, 15(7): e0235808.
- Hutchison C A, Chuang R Y, Noskov V N, et al. Design and synthesis of a minimal bacterial genome[J]. Science, 2016, 351(6280).
来源：biokiwi
编辑：谦、yrLewis