唐有祺:結晶牛胰島素背後的科學家

在中國歷史上,有一項紀錄不能忽略:1965年9月,中國在世界上首次人工合成了蛋白質結晶牛胰島素,這

標誌著人工合成蛋白質時代的開始,是生命科學發展史上一個重要里程碑!

但鮮有人知道,有一位科學家早在上世紀50年代就測定了我國第一批晶體結構,為世界上首次合成人工蛋白質結晶牛胰島素打下了堅實的基礎。

這位科學家就是中國晶體化學和結構化學的主要奠基人、中國分子工程學的開拓者、中國化學生物學的倡導者、中國科學院院士——唐有祺

唐有祺:結晶牛胰島素背後的科學家

唐有祺院士近照

晶體化學是一門研究晶體在原子水平上的結構理論,揭示晶體的化學組成、結構和性能三者之間的內在聯繫以及有關原理的物理化學分支學科。

現代晶體化學是在大量實測系列晶體結構信息的基礎上總結出規律的。因此,它一方面有其堅實的實踐基礎,另一方面能對材料科學、合成化學、生物化學、地球化學和礦物學等相鄰學科起重要的指導作用

輾轉求學

唐有祺於1920年出生於江南水鄉、千年古鎮新場鎮(今屬上海浦東),家道小康。兒時的唐有祺喜歡閱讀課外書,偶像是岳飛和愛迪生。

上海中學的教學理念與豐富多彩的校園生活,使得唐有祺在中學時期不僅掌握了學習方法與實驗能力,還開拓了眼界,讓他在日後的科學與教育實踐中能夠萌發一些超前想法,並始終保持著對生活的熱忱與激情。

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1941年在唐有祺大學時期李莊做實驗

1937年,唐有祺入讀同濟大學理學院化學系。正值同濟大學歷史上異常艱苦的5年,唐有祺跟隨學校5次遷移,足跡踏遍了9個省份。5年裡,他在化學基礎及實驗方面的能力、德語和英語的水平都得到了提高。

師從鮑林

大學畢業後,唐有祺曾在昆明一家兵工廠工作了6個月,後與人合作,在重慶經營電解鐵片的試驗廠。為此,他甚至放棄了到中央大學攻讀研究生的機會。

這番經歷使得唐有祺發現,他真正的興趣不在於實業,而是做學問。1944年春,唐有祺踏上了赴美的“梅格斯將軍”號輪船。

赴美之後,唐有祺臨時聯繫了加州理工學院。之所以選擇加州理工,是因為鮑林教授(美國著名化學家,量子化學和結構生物學的先驅者之一)。

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美國著名化學家萊納斯·卡爾·鮑林

他到鮑林的辦公室,進行了一次懇切的交談,得到了鮑林認可。鮑林如此爽快地答應唐有祺的申請,讓加州理工學院研究生院的主任,甚至唐有祺自己都覺得不可思議。

鮑林選擇唐有祺,一個重要原因是,鮑林看到唐有祺在物理和化學兩方面不僅有濃厚的興趣,還有很好的基礎。能夠師從鮑林,是師生之間彼此選擇的結果。

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1947年唐有祺在美國加州理工學院留影

唐有祺自此在鮑林門下主攻X射線晶體學和化學鍵的本質,輔修量子力學和統計力學。

唐有祺不止一次地說過:“師從鮑林的五年是我一生中最重要的經歷之一。”

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1981年唐有祺(左一)和鮑林夫婦

曲折回國

博士後期間,唐有祺以血紅蛋白晶體為對象涉足蛋白質晶體學,成為國際上早期涉足蛋白質晶體學研究的學者之一。

正當唐有祺進行的血紅蛋白研究進展順利之時,新中國成立的消息傳到美國,他異常興奮,迫切地希望能夠帶著自己的知識回到祖國的懷抱。

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唐有祺途經德國漢堡時留影(1952年7月)

1951年,美國限制所有屬於科學部門的中國學生,一律不得離境。熱愛和平、崇尚民主精神的鮑林得知唐有祺回國的決心後,雖想挽留,但還是伸出援手。

藉助參加在瑞典斯德哥爾摩召開的第二屆國際晶體學大會的機會,唐有祺從瑞典獲得簽證輾轉回國。

威力初露

1951年8月,唐有祺回到清華大學任教。唐有祺在美國留學時期便意識到,20世紀初期物理學的一個重大發展趨勢是由宏觀進入微觀領域,如何通過實驗技術有效地獲得關於物質微觀結構的信息是關鍵。

1912年勞厄(Max Theodor Felix Von Laue 1879~1960)X-射線衍射法的新發現給化學研究領域帶來了深刻變革,尤其是DNA雙螺旋結構的發現,讓唐有祺深有體會。

回國後雖然沒有條件繼續做X射線晶體學的研究,但他首先想到的,是將結構化學與化學鍵方面的最新理論和方法通過開設“分子結構和化學鍵”課程的形式介紹給國內。

同年秋季,唐有祺在清華大學化學系開設“分子結構和化學鍵本質”課程,這是唐有祺對晶體化學、結構化學在中國“播種”的第一步。

從清華調到新北大後,唐有祺編寫了中國第一本結晶化學著作、在北大設立物理化學專業的重點方向:分子結構及化學鍵,在將把X-射線晶體學前沿知識帶到大學課堂的同時,還籌建實驗室並進行了中國第一批晶體結構的測定工作。

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唐有祺編著的結晶化學教材

不僅如此,他積極整合北大、中科院化學所和物理所的研究力量進行合作,充分利用物理所有X-射線衍射儀的優勢,進行晶體結構測定,研究領域擴展到無機化學、分析化學、有機化學、藥物化學、礦物學等二級學科密切相關的結構問題。

這對中國化學界的晶體結構和化學鍵本質的研究,既起到了播種的作用,又對結構化學在本土生根、開花和結果有所促進。

自從X射線衍射實驗室建立以後,唐有祺培養了一個晶體結構測定團隊,形成欣欣向榮的新學科發展態勢。

1960年代,唐有祺覺察到,絕大部分無機物和有機物的結構型式通過X-射線衍射方法獲得了認知,各種鍵長和鍵角都可以查到,氫鍵的結構化學特徵和數據也已掌握,重要的結構原理大都有了總結。

解析小分子結構的晶體學已經從新興手段變成了常用工具。這時,他適時地提出來單晶結構分析方法應該探索分子的結構與功能之間的關係為目的,並在生物大分子上開展工作。

1965年中國在世界上第一次用人工的方法合成了一種具有生物活力的蛋白質——結晶胰島素。

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人民日報上報道中國人工合成結晶胰島素消息

1966年4月,在由國家科委主持召開的人工合成胰島素鑑定委員會第二次會議上,唐有祺建議,用X射線衍射的方法測定胰島素晶體的空間結構,此工作刻不容緩。他的建議得到採納並被推舉為學術帶頭人。

胰島素測定工作展開之際,政治氣氛日趨緊張。唐有祺退居幕後,為胰島素結構測定的大方向做指引。正是這項中國第一個蛋白質晶體結構測定工作,帶動了中國分子生物學、化學生物學,特別是生物大分子晶體學的發展,為中國的結構生物學培養了人才。

1971年,相關研究團隊完成了豬胰島素晶體結構測定,諾貝爾化學獎獲得者霍奇金盛讚:“北京圖譜目前是(也許永遠是)胰島素最精確的圖譜”。

70年代以後,唐有祺的研究團隊抓緊開展了系列化、高難度的晶體結構和結構化學研究,發現了新穎的結構型式,並解決相關化學問題。與此同時,唐有祺讓研究團隊向蛋白質晶體學方向擴展。

唐有祺:結晶牛胰島素背後的科學家

1980年,唐有祺查看北京大學的四園衍射儀的使用

在唐有祺的指導下,北京大學物理化學所從1982年起恢復了蛋白質結構分析工作,應用分子置換法,成功地研究了綠豆胰蛋白酶抑制劑的賴氨酸活力碎片牛胰蛋白酶複合物的晶體結構,並得出了賴氨酸活力碎片的立體結構。

這項研究對於普通人的意義在於,胰蛋白酶抑制劑在臨床上,可用於預防和治療急性胰腺炎,並可用於抗休克治療。此外,在腹腔手術後直接注入腹腔,能預防腸粘連。

開闢新領域:聯姻化學與生物學

唐有祺對物理、化學、生物學、數學都關注且精通化學的各個學科門類,這使得他思路開闊,能夠把握學科發展的大方向,他的研究步伐也總是比國內同行更快一些。

他對科學問題常有令人吃驚的超前思維,並勇於開拓新的研究領域。這對中國科學研究力量的整合、中國化學學科的發展影響深遠。

唐有祺:結晶牛胰島素背後的科學家

1982年8月唐有祺和胡亞東訪問英國時留影

1980年代中後期,唐有祺在中國首次提出化學生物學的概念,強調化學與生物學交叉的重要性。他意識到,僅僅將他對學科發展的敏銳嗅覺侷限於研究團隊之內還不夠。雖然國際上已對從分子水平研究生命問題投入相當的熱情,但當時的中國,化學和生物學曾一度出現脫離,彼此交叉甚少。

為了讓化學研究工作重視生物學問題,唐有祺通過“生命過程中重要化學問題研究”攀登項目為平臺,團結並鼓勵了一大批化學家轉向從事化學與生物學的交叉研究。

唐有祺考量的,不僅是生命過程中的哪些問題才能稱之為“重要”,還有大科學項目要充分發揮化學在中國生命科學研究中的作用,為中國化學學科的推陳出新提供動力。

與“生命過程中重要化學問題”一樣,“功能體系的分子工程學”是唐有祺開闢的又一個面向國際前沿的學術方向,他倡導的功能體系的分子工程學縮短了現實和假設之間的距離。

唐有祺提出的以功能為導向、分片建設分子工程學的策略,改變了研究者的研究思維方式,研究成果受到了國際學術界的廣泛關注。

呼籲開放:讓中國科研走向世界

在美國留學時期,唐有祺的研究成果讓他成為國際晶體學界的重要成員。他在美國期間以及從美國回到中國的旅途中,結識了不少學術同行,並與他們保持聯繫。特別是他與鮑林和霍奇金在學術上的密切往來,成為中國晶體學國際化的重要鋪墊。

在唐有祺的努力和霍奇金的幫助下,中國晶體學會成功地加入了國際晶體學會,成為中國科學走向世界舞臺的標誌事件。

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1978年唐有祺參加第11屆國際晶體學大會

中國加入晶體學會後,唐有祺積極申請和籌備國際晶體學大會在中國召開。1993年在中國召開的晶體學大會,是當時中國舉辦的規模最大、歷時最長的國際性會議。

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1978年8月,參加完第11屆國際晶體學大會後,代表團順訪英國,在霍奇金家中做客(左五為霍奇金,左六為唐有祺)

從1977年開始,唐有祺的國際交流異常頻繁。這些國際交流,有的是為了爭取國際會議在中國的舉辦權,有的是交流新的科學成果,有的是獲取科學交流的資源……

他是活躍在世界化學舞臺上的中國科學家,也是國際科學交流新模式的先行者和指路人。唐有祺的工作為中國形成具有國際競爭力的科學隊伍起到了積極的推動作用。

唐有祺:結晶牛胰島素背後的科學家

1996年10月8日唐有棋在實驗室與學生交流(左一為唐有祺,右一為來魯華,右二為王繼成)

從1997年開始,唐有祺辭去他的學術職務,將學術舞臺讓給年輕人。他的學生乃至在他主導的兩個攀登項目帶動的一批化學、生物學、物理學領域的研究者,繼續在其科學思想的啟迪下,暢遊於國際學術前沿領域。

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唐有祺院士

“唐有祺先生以晶體、物化廣探化學全貌,極具戰略宏圖。學廣勢偉氣度非凡,握美晶照亮北大校園。分子工程,精巧絕倫,繪藍圖導向廿一世紀。”中國科學院化學研究所胡亞東先生的贈語,正是唐有祺科學研究生涯的寫照。

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唐有祺

(1920.7-)

化學家

化學教育家

中國科學院院士

唐有祺採集小組供稿

參考文獻:

1.《中國化學界泰斗唐有祺:科學只是工具要理性運用》,廣州日報

2.《唐有祺:學者就是學者》,光明網

3.本文圖片來自老科學家學術成長資料採集工程、科學網、光明網、中國科學報等


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