利用大肠杆菌提取胰岛素论文研究

距今八十年前（一九二一年）的夏天，一位年轻的外科医生班廷 (Frederick Banting, 1891-1941) 与一位刚出校门的助理贝斯特 (Charles Best, 1899-1978) 在多伦多大学生理学教授麦克劳德 (John Macleod, 1876-1935) 的实验室进行研究。他俩发现胰脏的萃取液可以降低糖尿病狗的高血糖，以及改善其他的糖尿病症状。接下来的一年内，多伦多大学的团队发展出初步纯化胰脏萃取物的方法，并进行临床试验。他们将其中的有效物质定名为胰岛素 (insulin)。 为了解决量产与杂质的问题，他们与美国的礼来药厂 (Eli Lilly and Co.) 合作，成功地从屠宰场取得的动物胰脏中，分离出足以提供全球糖尿病患使用的胰岛素。在不到两年的时间内，胰岛素已在世界各地的医院使用，取得空前的成效。一九二三年十月，瑞典的卡洛琳研究院决定将该年的诺贝尔生理及医学奖颁给班廷及麦克劳德两人。班廷得知消息后，马上宣布将自己的奖金与贝斯特平分；稍晚，麦克劳德也宣布将奖金与另一位参予研究的生化学者柯利普 (James Collip, 1892-1965) 共享。 多少年来，修习生理学或内分泌学的人大概都听过或读过，胰岛素是由班廷及贝斯特两人所发现的；知道多一点的人，还会告知班廷之所以成功，是因为他从阅读期刊中想到了个好点子：先将狗的胰管结扎，让分泌消化液的外分泌腺萎缩后，再将胰脏取出进行萃取，这样就可避免其中的活性物质（也就是胰岛素）遭到消化酵素分解的命运。还有人会说，麦克劳德对于胰岛素的发现，功劳及苦劳都无，他只是拣了现成的便宜。至于柯利普是何许人，有过什么贡献，出了内分泌学界，大概更是无人知晓。 这桩科学史上的公案，由于种种原因，被刻意隐藏超过半世纪以上。直到一九八二年，才由多伦多大学的历史系教授布利斯 (Michael Bliss) 从诸多的历史文件（包括班廷的原始实验室笔记、诺贝尔奖委员会解密的文件等），及当年目睹者（多是七、八十岁的老人）的访谈纪录中，写了《胰岛素的发现》(The Discovery of Insulin, 1982, University of Chicago Press) 一书，大致还原了一九二一至二三年间发生的事件真相。所谓“真实的人生更胜于小说家的创造”，在此得到再度的验证。 从班廷在一九二一年十二月举行的美国生理学会年会上，第一次正式报告初步发现算起，不到两年的时间，就得到诺贝尔奖的肯定，可说是前无古人，后无来者；更不要说得奖时，胰岛素正式用在临床试验，只有一年多一点的时间，实在难以评估其长期的效益。但今日看来绝无可能之事，的确发生了，究其主因，乃是因为糖尿病的严重性。 糖尿病是历史悠久的人类疾病，问题出在身体不能利用最重要的能源——葡萄糖，以致有大量的葡萄糖堆积在血液，造成血管病变及病菌滋生；同时过多的葡萄糖从尿液流失，带走大量水分，造成病人又饥又渴。就算吃喝不断，患者仍然不断消瘦（蛋白质及脂肪都分解用来制造更多的葡萄糖），增加饮食只会使情况变得更糟，因此中医称此疾为“消渴症”。在长期“饥饿”下，身体组织开始利用酮体；大量由脂肪及胺基酸生成的酮体带有酸性，而造成患者酸中毒。 在胰岛素发现以前，常用的糖尿病控制方法就是禁食。在每日不到一千大卡的热量、不含什么碳水化合物的严格饮食下，原本已经消瘦不堪的糖尿病患者更是骨瘦如材，形同饿莩。这些人的体重可低至二十来公斤，成天躺在床上，连抬个头的力气也无。他们就算不死于酸中毒造成的昏迷，迟早也是饿死。这些坐以待毙的悲惨情状，绝非现代人所能想像。 在一九二○年代的产业化国家，糖尿病的盛行率在○˙五到二％之间（可悲的是，这个数字在胰岛素发现后，有增无减），其中不乏重要人士及其家人；像是当时美国国务卿的女儿、柯达公司副总裁之子，以及后来因发现恶性贫血症疗法而获得一九三四年诺贝尔奖的哈佛医生迈诺特 (George Minot, 1885-1950)。 胰岛素究竟是谁发现的呢？传统的认定是否有误？我们得从班廷谈起。 一九一七年，班廷从多伦多大学医学院毕业。适逢第一次世界大战爆发，最后一年班廷没上什么课，整年只记了五页笔记（他后来自承所受医学教育并不完整），就被征召入伍成为陆军医官，并上法国前线参与了坎伯拉之役（Battle of Cambrai，坦克首次在战场上成功使用），因伤光荣退役。由于无法在大医院找到工作，班廷被迫到距离多伦多一百八十公里远的小城伦敦开业。 由于诊所的生意甚是清淡，于是班廷在当地西安大略大学的医学院找到兼课的工作；他对糖尿病的知识，也就是从备课时得来。一九二○年十月，他读到一篇病理报告，其中描述胰管遭结石阻塞的病人，其胰脏中分泌消化酵素的外分泌腺组织有所萎缩，但胰岛细胞却存活良好。于是，班廷想到可以将狗的胰管以手术结扎，模拟结石阻塞的情况；等消化腺萎缩后，或许可以分离出胰岛中未知的降血糖物质。 自一八八九年德国的敏柯斯基 (Oskar Minkowski) 发现胰脏和糖尿病的关联之后，就不断有人尝试分离胰脏的神秘内分泌物质，也陆续有报导指出胰脏的萃取物具有降血糖的作用；但不是效果不够好，就是副作用大，都没有得到同行的认可。而班廷与贝斯特在一九二一年夏天的辛苦工作结果，也没有超越前人；如果不是麦克劳德及柯利普的从旁帮忙，只怕也与先前诸人一样，未能尝到胜利的果实。 终其一生，班廷都认为他灵光一现的想法是导致成功之源；经由他的鼓吹及二手报导的传播，这个说法也就流传下来。但实情是：胰管的结扎是完全没有必要的。因为胰脏所分泌的消化酵素在进入消化道之前都处于非活化的状态，并不会将胰岛素分解；再来在低温下将胰脏绞碎及以酒精萃取，都可去除消化酵素的作用（这一点并非我们的事后之明，当年就有人指出）。因此，吊诡的是：班廷的成功，肇因于他对于研究的无知。 麦克劳德是苏格兰人，在英国、德国及美国各地都有过完整的研究资历，当时是美国生理学会的理事长，专长在碳水化合物代谢生理。麦克劳德是个称职的研究者，熟悉医学文献，更擅长于整合现有的生理学知识，他也是个多产的作者。当毫无研究经验的班廷带著不成熟的想法前来找他帮忙时，他直觉的反应是之前已经有许多人试过且失败了，凭什么班廷这个无名小卒会成功呢？或许他认为班廷的想法至少之前没有人做过，不妨一试；或许他想班廷好歹是个外科医生，给狗动起手术来大概没有问题；再者，麦克劳德每逢暑假都要回苏格兰老家休假，实验室多个人做事，未尝不好。于是他答应让班廷一试，并让贝斯特帮忙；历史因此创造。 一九二一年五月中旬，班廷给第一只狗动胰脏切除手术；之前他可能从未动过类似手术，因此麦克劳德也在一旁协助。麦克劳德于六月中旬才离开多伦多，传言中说他根本未参与实验并不正确。由于技术问题，加上天气炎热及动物房条件不佳，动物的死亡率甚高：十九只里就死了十四只（当时也还没抗生素可用）。存活下来的五只胰管结扎狗里，只有两只的胰脏有萎缩现象，其余因结扎不牢而效果不彰；但他们还是进行了萃取及注射的工作，也观察到降低血糖的结果。 以纯研究的角度来看，班廷及贝斯特的成果实在粗糙得可以；他们最早发表的两篇论文里也有许多的错误。要不是麦克劳德加入许多生理指标的实验结果，以及邀请生化学者柯利普加入研究，改进萃取及纯化的方法，班廷及贝斯特的初步成果是难以取信于人的。所谓“成功有许多父亲，失败就只是孤儿”，有关胰岛素的发现者，一开始就争议不断，就连先前许多被人遗忘的研究者，也有人声援。终其一生，班廷都认为麦克劳德抢了他及贝斯特的成果，恶言相向。一九二八年，麦克劳德终于离开多伦多，回到家乡亚伯丁大学任教，而于七年后因病去逝，享年仅五十九岁。 由于班廷是第一位得到诺贝尔奖的加拿大人，因此获得加拿大政府异常优渥的待遇，不但在多伦多大学享有研究教授的终身职，同时还有个以他及贝斯特为名的研究所。在科学研究上，班廷的成就有限，但他的个性与一生，却饶富戏剧性。班廷于二次大战中，担任战时医药研究的主席，常驻英国。一九四一年，他于返英途中，因飞机失事而丧生，享年仅五十。《胰岛素的发现》一书作者另外写了本《班廷传》(Banting: A Biography, 1984)，对班廷的一生有更多的著墨。 胰岛素的另外两位共同发现者，贝斯特及柯利普，虽然没有得到诺贝尔奖的肯定，但他们后来的发展却更形出色，也安享天年。看来“诺贝尔奖是研究者坟墓”的说法，不是没有几分道理。 根据一般的记载，都说当年帮忙班廷进行实验的贝斯特是个医学生，那并不正确。当时贝斯特刚从多伦多大学生理系取得学士学位，并获录取进入研究所就读。他是在一九二二年取得硕士学位后，才进入医学院就读，而于一九二五年以第一名的成绩毕业。 顶著“胰岛素共同发现人”的头衔，贝斯特接受了当时英国著名的生理学者戴尔 (Henry Dale, 1975-1968，一九三六年诺贝尔生理医学奖得主) 的建议，前往戴尔的实验室接受完整的研究训练，并取得博士学位。一九二八年，麦克劳德离开多伦多大学后，贝斯特便顺理成章地接替他的位置，成为当时最年轻、最有潜力的生理学者。贝斯特也不负众望，在胰岛素的作用及抗凝血剂的发展上，有过重要贡献。他所编著的生理学教科书 “Best and Taylor’s Physiological Basis of Medical Practice”还一直有新版发行（13th ed. 1999，编者不同），因此新一代的生理学者对其仍有耳闻。 至于最后加入工作的柯利普是加拿大亚伯达 (Alberta) 大学生化系的教授，当时正在多伦多大学进行为期一年的休假进修。他对于刚起步的内分泌学有极大的兴趣，因此密切注意班廷及贝斯特的胰脏萃取工作。当班廷在纯化胰岛素上碰到瓶颈时，便邀请柯利普加入帮忙。虽然后来柯利普客气地说，他只不过做了任何一个生化学家都会做的事；但只要晓得蛋白质化学之复杂，以及八十年前可用方法之贫瘠的人，都能了解其工作的困难度。柯利普后来在许多内分泌激素的分离工作上，都有过重要贡献。他还担任过麦吉尔大学的生化系主任，以及西安大略大学的医学院院长，成就非凡。 胰岛素的发现虽然拯救了数以百万计糖尿病患者的生命，但那还只是治标，并非治本，缺少胰岛素的患者终生都得仰赖胰岛素的注射，随时注意血糖的控制，避免出现并发症。更麻烦的是，糖尿病还不只一种，有更多所谓成年型（第二型）的糖尿病患者，体内并不缺少胰岛素，而是由于过胖、少动，及饮食过度，导致身体组织对胰岛素反应下降，无法有效利用过多的能源才发病。尤其现今中年以上的国人，年轻时大都相当苗条，体内脂肪细胞数目有限（成年后数目不再增加）；而近些年吃得太好，导致每个脂肪细胞都满载，无法吸收更多吃入的能量，也就容易出现糖尿病的症状。对这种为数更多的患者来说，补充胰岛素就没什么用，运动、减重，注意饮食才是良方。 胰岛素发现迄今虽然已有八十年的历史，但胰岛素可算是最难了解的激素之一，其作用之多样，机制之复杂，至今仍未全盘解开。当年班廷等人分离的胰岛素只是粗制品，真正的纯化及结构决定，要到一九五五年才由英国的圣格 (Frederick Sanger. 1918- ) 所完成；圣格也因此获颁一九五八年的诺贝尔化学奖。 因胰岛素研究而间接获奖者还有一位，就是一九七七年的生理医学奖得主雅娄 (Rosalyn Yalow, 1921- )。雅娄和同事伯森 (Solomon Berson, 1918-1972) 发现长期注射胰岛素的糖尿病患血中含有某种球蛋白，能与胰岛素产生结合；经分析后，发现该球蛋白是针对胰岛素的抗体。由于人体本身就有胰岛素，因此对胰岛素产生抗体是不可思议的事，因此，他们最早（一九五五年）报导此发现的论文也遭到《临床研究期刊》的退稿。雅娄一直保留当年的退稿信，廿二年后得了奖，她取出该信发表在《科学》杂志上。雅娄的故事有两点教训：一、要得诺贝尔奖，得活久一点，像伯森就错过了；二、别得罪女人。 上述问题出在当年给病人注射的胰岛素，都来自屠宰场的动物胰脏。虽然动物的胰岛素在人体也有作用，但其胺基酸组成仍有少数的差异；免疫细胞就针对这点差异，产生了特别的抗体。目前以基因工程制备的人类胰岛素，已无此问题。雅娄及伯森利用这种抗原抗体的专一性反应，加上放射性元素作为追踪剂，发展出“放射免疫测定法”(radioimmunoassay)，能测定血中的微量激素及任何能产生抗体的物质，彻底改变了内分泌学的面貌。 因此，历史的幽微隐晦与反复多变，常出乎人的想像，胰岛素的故事，可见一斑。

这个问题，不适合在这问，太过于专业了，应该去国家科学院问问。

人体的生产胰岛素基因注入大肠杆菌细胞内，然后通过细胞分裂就可以得到大量带有该基因的菌群就可以生产胰岛素了！

因为大肠杆菌是原核生物，是单细胞生物，所以用大肠杆菌生产胰岛素时，只用了基因工程、发酵工程和酶工程。用到基因工程，是用了基因重组技术，即把人类的控制胰岛素合成的基因用化学方法切割下来，再植入到大肠杆菌的dna中，形成一个重组dna分子，利用大肠杆菌的繁殖和生长，在大肠杆菌细胞体内合成出人胰岛素。既然是利用细菌生产药物，肯定要用到发酵工程，不然如不让大肠杆菌大量繁殖，就得不到工业产量的药品。在切割以及重组dna时，必须用到一系列酶，所以需要用到酶工程。

他们我觉得应该是要从cdna文库中选取目的基因，因为人的基因中含有内含子和外显子，但是大肠杆菌不能识别这个，所以说从人体内直接提取的DNA，应该是不可以用来，直接产生胰岛素的

大肠杆菌生产人胰岛素基因工程自诞生以来发展很快。 1972年，美国斯坦福大学生物化学系主任贝格尔把两种病毒的DNA人工组合到一起，形成了第一个人工重组DNA分子，这是基因工程的开创性工作。 1973年，科恩发表一篇报告，说他们把大肠杆菌的两种质粒的DNA连接到了一起，并且又送回到大肠杆菌细胞中去，重组质粒的DNA得到了复制和表达。这是第一次完成了一个基因工程。 1976年，美国用大肠杆菌生产出了本来由人脑产生的生长抑制素，完成第一个有实用价值的基因工程。已知生长抑制素是含有14个氨基酸的多肽链，在清楚其结构以后，根据遗传密码可以倒推出它的基因结构——一条由42个核苷酸组成的DNA片断。人工合成这个DNA片断，再把它送入大肠杆菌。由这项研究开始，科学家又掌握了一条获得基因的新途径——人工合成。 使用类似方法，美国人在1978年又用大肠杆菌生产出了胰岛素，使胰岛素可以工业化生产，给糖尿病患者带来了福音。原先胰岛素的来源是从牛胰脏提取，产量有限。用化学方法人工合成胰岛素仅有科学意义而无实用价值，因为成本太高了。现在世界医药市场上的胰岛素，已经大半是基因工程的产品了。 鼠生长激素、人生长激素、鸡卵清蛋白、人白细胞干扰素等许多种物质，也都已经可以用大肠杆菌生产。 生物制法：首先剪切胰岛素基因，再将胰岛素基因转入人的大肠杆菌内，再创造大肠杆菌裂殖的有利环境，对大肠杆菌进行大规模培养，使之产生大量的治疗糖尿病的药物——胰岛素。 基因制法: 在基因工程人胰岛素的生产过程中,一般是先表达胰岛素原,然后对胰岛素原复性,复性后的胰岛素原通过酶切得到有活性的胰岛素.其中胰岛素原的复性效率是决定最终收率的关键因素,正确折叠与错误折益胰岛素原的分子量完全相同,结构非常相似,采用RT-HPLC可对其进行分离检定.Sergeev等利用反相色谱建立了复性液中胰岛素原的检测方法.如果要对正确折叠与错误折盛胰岛素原的结构进一步说明,可将其用蛋白酶V8酶解,然后用RP-HPLC-MS作肤图谱.Damn等用S.aureus protease V8酶解胰岛素原,然后用R'FHPLC做肚谱图,并结合质谱法对重组胰岛素原的折受过程进行了监测.