有人曾说，如果把这项研究比作缝制衣服，那么我们从种植棉花开始，而不是从购买布料开始。
言语之间透露出的是艰辛与不易。
在一个普通的日子里，91岁的原中国科学院上海生物化学研究所（以下简称生化所）研究员齐国荣向解放日报·上观新闻记者回忆了这段颇为不寻常的科研历程——世界上第一个人工合成的tRNA（酵母丙氨酸转移RNA）。
齐国荣展示tRNA的三叶草二级结构。摄影：黄海华
这项于1981年完成的成果，于1987年荣获第三届国家自然科学奖一等奖。国家自然科学奖一等奖往往是“宁可有而无不及”，第二个获此殊荣的是世界上首次人工全合成牛胰岛素等项目。
在上海建设“具有全球影响力的科技创新中心”十周年之际，回顾合成生物学领域的这一里程碑事件，具有特别重要的意义。
人工合成牛胰岛素后下一步该怎么做？
1965年，我国在世界上第一个人工合成出一种蛋白质——牛胰岛素。当时，距离“胰岛素结构解析”的诺贝尔奖颁发才过去7年，国际社会普遍认为“人工合成胰岛素还是一件遥不可及的事情”。
受到启发，中国科学家开始思考下一步该怎么办。“当时我们都很年轻，思想开放，研讨会上讨论得非常热烈。”齐国荣说，他甚至想过合成病毒蛋白，但在当时的科研条件下，这几乎是不可能实现的。
最后，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，与蛋白质一起，是生命活动最基本的物质。当时，所有天然的核酸分子都是生物体直接产生的，无法人工合成。当时，任何DNA分子的序列都还未确定，所以不可能合成。讨论的时候，大家很自然地想到了最小的转移RNA分子tRNA。美国科学家霍利实验室于1965年完成了世界上第一个tRNA分子的测序，该分子具有明确的生物学功能——能与丙氨酸结合，并将其带到核糖体上，合成蛋白质。
就这样，1968年，中国科学家在北京和上海分别成立了两个研究组，开始了人工合成酵母丙氨酸转移RNA的项目。1977年，中国科学院在北京和上海成立了协作组协调这项工作，由时任生物化学研究所所长的王英来任组长，时任生物化学研究所核酸研究室主任的王德宝任学术组长。
王英来（前排中）、王德宝（前排右）、陈长清（前排左）讨论人工合成核酸的工作。
“最初，王德宝先生是从科学角度选择核酸的”，齐国荣回忆道。王德宝曾赴美留学，在诺贝尔奖得主科里的实验室学习。新中国成立后，他克服种种阻碍回国，建立了我国第一个核酸研究实验室。1980年，他当选为中国科学院学部委员（院士）。
王德宝的担心不无道理——人工合成核酸实在太难了。一是产量极低，原料以吨计，且副反应多；二是合成胰岛素采用的是天然原料，而合成核酸要用9种稀有核苷酸，单是合成这样的原料就已经相当困难。其实，20世纪80年代，日本、加拿大等国科学家合成的RNA中，并不含有稀有核苷酸。严格地说，这些只是RNA类似物，并不是完整的天然分子；即便到了1992年，法国科学家合成的RNA依然只有3种稀有核苷酸。
但稀有核苷酸对于RNA的活性却至关重要，这是我国与国外同类研究最大的、本质的区别。
【外国同事惊呼，太不可思议了】
那我们就别无选择，只能迎接挑战！
首先要生产核苷酸，这是合成所需的基本原料。以假尿苷酸为例，它在人的尿液中含量很高。“我们最早是在公共卫生间采集，但因为量太大，为了避免细菌，就找上海警备区合作，定期去采集，然后用卡车运到上海试剂二厂。可以说，我们的研究是从当‘环卫工’开始的。”齐国荣笑着说。
时任项目服务组副组长的孙荣荣曾回忆，刚开始生产核苷酸时，因为没有采集人员，必须派人昼夜看守，大约每隔40分钟就要换一个桶，才能把产品拿去检测。
研究团队在短时间内提供了各种RNA片段，摸索出最佳合成条件，这在当时是罕见的。担任该项目大会合成组组长的原中科院上海细胞生物研究所研究员鲍永德曾回忆，当时条件十分艰苦，而且没有RNA水解酶的抑制剂。外国同事后来得知后惊叹不已——不用RNA酶抑制剂就能合成RNA，简直不可思议。
齐国荣记忆最深的是利用RNA连接酶进行酶法合成，“这是最大的创新，也是国际上最认可的。”当时化学合成遇到困难，王英来、王德宝给美国科学家写信，获得了RNA连接酶的菌株，经过艰苦努力，科研人员终于制备出了高质量的RNA连接酶。
“1980年我去英国的时候，国际市场上只有一家公司的DNA连接酶符合质量标准，更别提RNA连接酶的质量了。”鲍永德曾回忆道。
研究人员想出了一个“半分子合成方案”，就是分别合成两个半分子，然后把它们连成一个完整的分子，合成出来的半分子只有几个纳克，关键是看连在一起的完整分子是否具有生物活性。
1981年11月20日晚，上海岳阳路320号大院里发生了一个历史性的时刻。科研人员一直盯着液闪仪上跳动的数字，当同位素计数结果显示该分子确实具有生物活性时，现场爆发出一片欢呼声。
此次合成的RNA分子与天然RNA分子完全相同，具有70%～80%的生物活性，而日本和加拿大的同类研究，其活性分别只有天然RNA的6%和11%；法国科学家1992年合成的RNA，活性也只有天然RNA的42%。
【上海驶入合成生物学国际竞争快车道】
这是继我国第一个人造蛋白质之后，世界上首次人工合成完整的核酸分子，作为我国合成生物学史上的重大科研成果，推动了核酸学科的进步和相关产业的发展。
这项研究历时13年，参与人数达180人。由于当时我国特殊的历史环境，这项工作在1978年之前进展缓慢。经过调整，中科院保留了4个研究所继续参与，分别是北京生物化学研究所、上海细胞生物研究所、上海有机化学研究所和生物物理研究所。此外，北京大学生物系和上海试剂二厂也参与了这项工作。
“中国科学家历经千辛万苦才取得这一科研成果，今天回想起来仍激动不已。”从项目启动之初就参与这项工作的齐国荣说，1978年后，他回到单位继续研究RNA的催化功能，未能亲眼见证这一历史性时刻。
“我没有后悔，我一生都在做RNA研究。”这位已步入暮年的科学家，看上去比实际年龄年轻很多，脸上总是挂着笑容。
经过这次“大手术”，只有中科院生物化学研究所（现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，目前已成为国际知名的RNA研究中心。
当前，合成生物学是驱动新一轮高质量生产力发展的关键力量，突破了传统生命科学的界限，是新一轮国际生命科技研究的前沿焦点和战场。
预计到2025年，全球合成生物学和生物制造的经济影响将达到1000亿美元。近年来，美国相继发布《半导体合成生物学》等多项科技路线图，在《2021年美国创新与竞争力法案》中将合成生物学列为重点竞争技术；英国2012年制定了合成生物学国家路线图，2016年发布合成生物学战略规划。
我国在《生物经济发展“十四五”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，已驶入国际竞争的快车道。
在上海建设“具有全球影响力的科技创新中心”十周年之际，回忆中国科学家首次人工合成RNA的时光，既是一次回顾，更是一次学习：在困难中砥砺前行，在创新中起步。
题图来源：“人工合成核酸”项目组合影。受访单位提供
评论（0）