上海科创钩沉|91岁科学家忆世界首次人工合成RNA: 从做“环卫工人”起步

发布日期：2024-08-11 21:25    点击次数：68

曾有人说，如果把这项研究比作缝衣服，那么我们是从种棉花开始，而不是从买布开始。

言语之间，透出的是艰难和不易。

一个寻常的日子，91岁高龄、原中国科学院上海生物化学研究所（以下简称生化所）研究员祁国荣，向解放日报·上观新闻记者回忆了这段颇不寻常的科研历程——世界首次人工合成tRNA（酵母丙氨酸转移核糖核酸）。

祁国荣展示tRNA的三叶草二级结构。黄海华 摄

完成于1981年的这一成果获得1987年第三届国家自然科学奖一等奖。国家自然科学奖一等奖经常“宁缺勿滥”，第二届获此殊荣的是世界首次人工全合成牛胰岛素等项目。

在上海建设“有全球影响力的科创中心”十周年之际，回望这一合成生物学领域的里程碑事件，别具意味。

[人工合成牛胰岛素后，下一步该做什么]

1965年，我国在世界上首次人工合成蛋白质——牛胰岛素。当时，距离“胰岛素结构的解析”获诺贝尔奖仅仅过去了7年，国际上本来普遍认为“合成胰岛素将是遥远的事情”。

受到激励的中国科学家开始思考下一步该做什么？“那时候我们都很年轻，思想都很解放，在座谈会上讨论得非常热烈。”祁国荣说，当时甚至想过合成病毒蛋白，但以当时的科研条件几无实现的可能。

最终，核酸进入了科学家的视野。核酸是DNA（脱氧核糖核酸）和RNA的总称，与蛋白质同为生命活动的最基本物质。当时，所有的天然核酸分子都直接产生于有机体，一直无法人工合成。当时尚无任何一个DNA分子的序列被测定，因此不可能成为合成对象。大家在讨论时自然想到RNA中分子最小的转移核糖核酸tRNA，美国科学家霍利的实验室在1965年完成了世界首个tRNA分子的测序，而且该分子具有明确的生物功能——可与丙氨酸结合并将其带到核糖体上合成蛋白质。

就这样，在1968年，我国科学家在北京和上海分别成立了两个研究团队，启动人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸项目。1977年，中国科学院成立协作组，协调京沪两地工作，由时任生化所所长王应睐任组长，时任生化所核酸研究室主任王德宝任学术组组长。

王应睐（前排中）、王德宝（前排右）、陈常庆（前排左）讨论人工合成核酸工作。受访单位提供

“最初，王德宝先生从科学角度对于选择核酸有所担心。”祁国荣回忆。王德宝曾赴美学习，并在诺贝尔奖获得者考瑞的实验室进修。新中国成立后，他克服种种阻挠回国，创建了我国第一个核酸研究室，1980年当选中国科学院学部委员（院士）。

王德宝的担心不无道理——人工合成核酸太难。首先，产率极低，原料要以吨来计，副反应多；其次，合成胰岛素所用的都是天然原料，而合成核酸要用到9个稀有核苷酸，光是这种原料的合成难度就相当高。事实上，在20世纪80年代，日本和加拿大等国科学家此后合成的RNA，都不含稀有核苷酸。严格地说，这些只是RNA类似物，并不是完整的天然分子；即使到了1992年，法国科学家合成的RNA也仍然只有3个稀有核苷酸。

但是，稀有核苷酸对于RNA的活性至关重要，这是我国与国外同类研究的最大差别，也是本质差别。

[国外同行惊叹，简直不可思议]

那就只有迎难而上了！

首先要生产出核苷酸，这是合成所需的基本原料。以假尿苷酸为例，它在人尿中含量较高。“我们先在公共厕所收集，但由于用量太大，也为了避免带菌，就找到上海警备区合作，定期去拿，再用卡车拉到上海试剂二厂。可以说，我们的研究是从做‘环卫工人’起步的。”祁国荣笑着说。

时任该项目勤务组副组长的孙融融曾回忆，刚开始生产核苷酸时，由于没有收集器，必须派人在旁边白天黑夜盯着，大约每隔40分钟就要换一个桶，再拿去化验。

研究团队在短时间内提供了各种RNA片段以探索最佳合成条件，这在当时是不多见的。时任该项目总装合成组组长的原中国科学院上海细胞生物学研究所研究员包永德曾回忆，那时候条件非常艰苦，连RNA水解酶的抑制剂也没有，国外同行后来获悉都惊叹——不用RNA酶的抑制剂来合成RNA简直不可思议。

最让祁国荣难忘的，是用RNA连接酶进行酶促合成，“这是最大的创新，也是在国际上最被认可的。”当时，化学合成遇到困难，王应睐和王德宝给一位美国科学家写信，拿到了RNA连接酶的菌种。经过努力，研究人员终于制备出了高质量的RNA连接酶。

“1980年我去英国时，国际市场上只有一个公司的DNA连接酶在质量上能过关，RNA连接酶的质量就更加不用说了。”包永德曾如是回忆。

研究人员摸索出了“半分子合成方案”，即分别合成两个半分子，再连接成完整分子。合成的半分子只有几毫微克，关键是看连接而成的完整分子是否有生物活性。

1981年11月20日傍晚，上海岳阳路320号大院迎来了历史性的一刻。研究人员一直紧盯着液体闪烁谱仪上跳动的数字，当同位素计数显示该分子确实具有生物活性时，现场一片欢呼。

此次人工合成得到的RNA分子与天然分子结构完全相同，具有高达70%-80%的生物活性。在日本和加拿大的类似研究中，其活性分别只有天然的6%和11%；法国科学家1992年合成的RNA，其活性也只有天然的42%。

[上海进入合成生物学国际竞争快车道]

这是继我国在世界上首次人工合成蛋白质后，又在世界上首次人工合成一个完整的核酸分子。作为中国合成生物学史上的重大科研成果，其推动了核酸学科的进步，也促进了相关产业的发展。

这一历时13年的研究，先后参与的有180人之多。由于中国当时所处的特殊历史环境，这项工作在1978年之前进展缓慢，之后经过调整，中国科学院保留4个研究所继续参与，即生化所、上海细胞生物学研究所、上海有机化学研究所和位于北京的生物物理研究所。此外，北京大学生物系和上海试剂二厂也参与了这一工作。

“中国科学家历尽艰难取得这一科学成就，至今回忆起来仍使人感到振奋。”祁国荣说。他从项目之初就参与这一工作，1978年后服从安排回到单位从事RNA的催化功能研究，没能亲眼见证历史性的那一刻。

“我不感到遗憾，我这一辈子都在做RNA的研究。”这位鲐背之年的科学家，看上去比实际年龄要年轻许多，总是面带着微笑。

这一“大兵团作战”之后，唯有生化所（现为中国科学院分子细胞科学卓越创新中心）对RNA“情有独钟”，持续开展了一系列研究，如今已成为国际上颇有声誉的RNA研究重镇。

当下，合成生物学是推动新质生产力发展的关键力量。它打破了传统生命科学的界限，是新一轮国际生命科学技术研究的前沿焦点和必争之地。

预计到2025年，全球合成生物学与生物制造的经济影响将达到1000亿美元。美国近年来连续发布了“半导体合成生物学”等多个科技路线图，合成生物学在《2021美国创新与竞争法案》中位列关键竞争技术；英国在2012年就制定了合成生物学国家路线图，2016年发布合成生物学战略计划。

我国在《“十四五”生物经济发展规划》中多次提及合成生物学，将其视为国家战略科技力量之一。上海，作为我国合成生物学发源地之一，已进入国际竞争快车道。

在上海打造“有全球影响力的科创中心”十周年之际，追忆我国科学家首次人工合成RNA的这段岁月，既是重温，也是汲取：困难中进取，创新中出发。