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中國生物化學的巨人是怎樣煉成的?

「Folin-Wu method」可能是第一個以中國人名命名的科學方法。早期有些中國人命名的發現或發明,經常只是在中文世界有中國人名,而英文命名中並沒有。而Folin-Wu方法,英文名中也有華人名字。

撰文 | 楊小慢

編輯 | 金庄維 李研

他是第一位在生物化學方面做出重要貢獻的中國人,他和導師合作發明血糖檢驗方法,得到臨床上的廣泛應用。這一方法被稱為「Folin-Wu method」,可能是第一個以中國人名命名的科學方法,在全世界檢測的人數和次數,以幾十億人次計。這裡的「Wu」就是吳憲。

「毫無疑問,吳憲是20世紀前半葉中國最偉大的化學家,或者說是最偉大的科學家。」美國學者里爾頓?安德森(J Reardon-Anderson)這樣評價他。

那麼,這位中國生物化學的巨人是怎樣煉成的?我們先回到福州的半野軒,那片養育他的土地。


從造船到生化

1893年11月24日,吳憲出生在福建省閩侯縣士埕的吳家,家族在福建當地世代經營鹽業買賣。

吳憲六歲開始入塾讀經,以舊學啟蒙,並中過秀才。1906年,清朝正式廢除科舉制,推廣實學與建立學堂。於是,13歲的他進入全閩高等學堂預科班(今福州第一中學的前身),接受新學教育。

家庭環境、舊學啟蒙與新學教育都給予吳憲不同的精神和知識積澱,培養了他堅毅的品質和敢於承擔的責任心。

1911年8月,18歲的吳憲於在上海乘船赴美留學,進入麻省理工學院海軍造船工程專業學習。選擇這個專業的原因也得從他的故鄉說起。福州是中國最早發展造船業的地區,早在1886年就創辦了馬尾造船廠,還設有船政學堂(Foochow Naval Academy)。在這裡,造船和西學一度盛行。但中日甲午戰爭的失敗在當地產生了極大的震動和影響,在中學老師的影響下,吳憲想要壯大國家的海軍,保衛國家,於是選擇了學習造船。

但在麻省理工學院學習的過程中,他接觸到了新的科學思想,少年時代的滿腔熱血漸漸變成更為深沉的愛與責任——科學報國。

受到赫胥黎著作,特別是《生命的物理基礎》這篇文章的影響後,他在1913年更改了專業,變為主修化學、輔修生物學。1917年,吳憲進入哈佛大學研究生院,成為當時美國生物化學權威福林(Otto Folin)教授的學生,並因為科研能力突出,很受福林賞識。

福林在實驗室(圖源:wikipedia)


「Folin-Wu method」

福林教授是當年美國生物化學權威,對早期血液化學分析有重要貢獻。他選擇研究生素以嚴謹著稱,但極為賞識吳憲的才華。吳憲於1919年獲得博士學位(Ph.D)後,繼續以博士後的身份跟隨福林教授從事血液化學的研究。

在此後的一年時間裡,他獨自完成了一項重要的血糖定量分析改進方法的研究。

血糖是指血液中存在的葡萄糖。當時主流的血糖分析採用的是本尼迪克特(Benedict)法。吳憲在探索實驗的過程中,發現用弱鹼性酒石酸銅溶液氧化糖,並用Folin和Denis的酚試劑對生成的氧化亞銅進行顯色反應,可以得到強烈而穩定的顏色。

原理:葡萄糖的半縮醛羥基具有還原性,在加熱條件下可使鹼性銅試劑中的Cu2+還原為黃色的氧化亞銅沉澱。而氧化亞銅可使磷鉬酸還原為藍色的鉬藍,而且鉬藍的顏色深淺和葡萄糖的濃度呈正比。

但是血液成分複雜,尤其有許多蛋白質存在,對血糖的測定會產生干擾。因此,吳憲於1919年提出了鎢酸血濾液法,利用鎢酸沉澱血液中的蛋白質,製備無蛋白濾液,然後測定其中的葡萄糖含量。

他的改進方法遠遠優於本尼迪克特法——用血量少,方法簡便,避免了由肌酸、肌酐和尿酸引起的誤差,因而數據準確。當吳憲將最終結果告訴老師時,福林說:「這值得獲第二個哲學博士。」這一方法最初由Folin和Wu發表於1919年的《生物化學雜誌》。

迄今,Folin-Wu方法在全世界檢測的人數和次數,恐怕不是數以億計,而是數以幾十億人次計。可以說,它是華人在生物化學上建立的第一個豐碑,能夠達到這樣重要性的工作,迄今罕見。

1920年,他們改進了方法,利用鉬酸、鎢酸鈉和磷酸配置了(磷)鉬酸鹽溶液,代替了Folin—Denis的苯酚試劑。此外,他們還設計了帶有細頸的Folin-吳憲式血糖管,以避免空氣中的氧氣對Cu2O的再氧化問題。

Folin-吳憲式血糖管(圖源:farmacia-museoaramburu.org)

「Folin-Wu method」可能是第一個以中國人名命名的科學方法。早期有些中國人命名的發現或發明,經常只是在中文世界有中國人名,而英文命名中並沒有。而Folin-Wu方法,英文名中也有華人名字。


還家報國

「Folin-Wu method」,讓吳憲在科學界聲名鵲起,這意味著他在美國可以得到很好的科研和就業機會。但當那時的北京協和醫學堂,計劃籌備改建為北京協和醫學院時,先生毅然接受醫學院的聘請,決定用自己的所學使國家變強。

從1920年回國,到1942年1月協和被日軍佔領解散,吳憲在協和,參與創建生物化學系,領導生化系成為中國生物化學的重要基地,並在臨床生物化學、蛋白質化學等領域取得了蜚聲國際的科研成果。他也是協和的第一位華人系主任。

1929年在波士頓召開的第13屆國際生理學會上,他提出蛋白質變性學說,認為天然蛋白質分子不是一條長的直鏈而是一個緊密的結構。這種結構是借肽鍵之外的其他鍵,實現肽鏈的不同部分的相互作用,所以容易被物理及化學的力所破壞,即從有序的摺疊排列形式變成不規則及鬆散的形式。吳憲教授的蛋白質變性學說全文於1931年用英文正式發表於《中國生理學雜誌》(Studies on Denaturation of Proteins. XⅢ.A Theory of Denaturation. Chinese journal of Physiology,1931,5(4):321~344)。

這一想法的核心,類似於後來Christian B Anfinsen(1916-1995)的工作,後者的工作主要在1950年代和1960年代初期,集中於RNA酶A,並因此獲1972年諾獎。

蛋白質變性學說對於研究蛋白質大分子的高級結構有重要價值。在1995出版的《Advances in Protein Chemistry》叢書第 47卷上發表了美國哈佛大學教授,著名生物化學家J.T. Eddsall教授的文章「吳憲與第一個蛋白質變性理論(1931)Hsien Wu and the First Theory of Protein Denaturation(1931)」,對吳憲教授的學術成就給予了極高的評價。他表示,「在北平協和醫學院工作的吳憲於1931年第一個提出蛋白質變性是高級結構鬆散,而不是一級結構的變化,建議1995年在《生物化學進展》專刊重印。

蛋白質變性

1942年,北京協和醫學院因被日軍佔領而被迫關閉。吳憲不甘心在敵占區安於一方,於1944年3月冒著極大的風險,經過長途艱苦跋涉抵達大後方重慶,在中央衛生實驗院籌組和領導營養研究所。當時條件很艱苦,但他總是親臨實驗室指導實驗。

同年7月,他被派往美國,作為聯合國善後救濟總署的中國代表,參加研究戰後經濟恢復與重建的會議。當時由於美日宣戰,赴美的旅途也充滿了危險,他取道澳大利亞,經過64天才抵達洛杉磯。


教育是最好的投資

吳憲對子女的愛,更注重於教育他們如何做人,自食其力,並貢獻社會。長子吳瑞回憶說,有一次「父親把我們五個子女叫到爐邊,對我們講英文『investment』(投資)這個詞的意義。他很興奮地說:『叫你們受到良好的教育是最好的投資,它在你們身上會存在一輩子,而且讓你享用一輩子,所以我不給你們留下什麼物質的東西,因為那對你們有害無益。』」

因此,吳憲先生去世後,吳嚴彩韻女士和子女們繼承了他的遺願,將錢財捐贈給中美兩國的科學事業。

1986年,以吳憲夫婦名義,在吳嚴彩韻工作多年的聖路克-羅斯福醫院設立研究基金,併購置5000冊科學期刊建立研究圖書室。

1987年「吳憲生物化學教授基金」設立,資助為中國生物化學做出貢獻的教授。

1993年在吳憲母校哈佛大學醫學院設立「吳憲生物化學教授基金」。同年又購置生物化學最新書刊,在中國醫學科學院基礎醫學研究所設立「吳憲圖書館」。

吳憲先生當年所開創的事業正在被一代一代的學子傳承下去,我們希望能有更多的國內外生物化學家,能夠做出類似、甚至超過吳憲先生的成就。

特別感謝饒毅老師為本文提供素材。

參考資料

[1] 鄭術(文)、蔣希萍(譯).吳憲——中國生物化學及營養學的奠基者.生物物理學報.2012 年11月 第28卷第11期:857-859.

[2] 從天才少年到「昭和棋聖」:只為一件事的純粹人.摘選自《吳清源回憶錄》.[日]吳清源(著),陳翰希(譯),北京聯合出版公司,2017年7月.

[3] 汪猷. 吳憲傳. 載於《中國現代科學家傳記(二)》科學出版社,l991年.

[4] 吳虹.中國生物化學和營養學之父——吳憲.知識分子.

[5] 吳憲與第一個蛋白質變性理論.王志珍(中國科學院生物物理研究所,生物大分子國家重點實驗室,北京100101),發表於2002年.

[6] 加成. 華裔生物化學家之吳氏三傑.

[7] 【協和人的故事】「中國的生物化學和營養學之父」吳憲教授

[8] 曹育.傑出的生物化學家吳憲博士.

[9] Folin O and Wu H (1919) A system of blood analysis. Journal of Biological Chemistry 38:81-110.

[10] Folin O and Wu H (1920) A system of blood analysis: Supplement I. a simplified and improved method for determination of sugar. Journal of Biological Chemistry 41:367-374.

[11] Edsall JT (1995) Hsien Wu and the first theory of protein denaturation (1931). Advances in Protein Chemistry 46:1-5.

[12] Wu H (1931) Chinese Journal of Physiology5:321-344.

文章頭圖及封面圖片為1949年12月,吳憲先生(前排右)與嚴彩韻女士(前排左)結婚25周年時照的全家福。後排依次為長女吳婉先(膳食師和中學數學教師)、長子吳瑞(生物化學與分子生物學教授)、次女吳婉蓮(某公共圖書館文藝與音樂科主任)、次子吳應(化學專家,在穀類蛋白質方面有大量出色的工作)、三女吳婉明(醫學博士,放射科專家)。他們都在各自不同的崗位上為社會做出了貢獻。(來源:知識分子)

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