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沈善炯:中國科學院學部委員(院士)、微生物生物化學和遺傳學家


 

沈善炯(1917年4月13日—),出生于江蘇吳江。微生物生物化學和遺傳學家。1980年當選為中國科學院學部委員(院士)。1952年加入九三學社。

沈善炯1917年4月13日出生于江蘇省吳江縣一個偏僻農(nóng)村的破落地主家庭,父親沈時則受過中等教育,曾在鄉(xiāng)里教書,母親沈貞是農(nóng)民,為人賢惠,閭里皆知。沈善炯7歲時入家鄉(xiāng)私塾,8歲后先后入泰來橋初級小學和同里高級小學。1931年他到縣城進吳江中學念書。吳江中學學風淳樸,校長開明愛國,勉勵青年要努力讀書不忘救國,三年的初中生活給他留下了難忘的記憶。初中畢業(yè)后,他決定學農(nóng),考入江蘇省立蘇州農(nóng)業(yè)學校。畢業(yè)后經(jīng)父母同意,靠各方借貸和出賣田地考入學費低廉的南京金陵大學農(nóng)業(yè)專修科學習。1937年“八一三事件”爆發(fā)后,沈善炯未能隨學校西遷,只身流亡到廣西,入柳州的廣西大學農(nóng)學院為借讀生,求學期間得識植物學家張肇騫教授,張肇騫的教導,對他以后樹立從事遺傳學與生物化學研究的志向產(chǎn)生了影響。1939年他轉(zhuǎn)學到云南昆明的西南聯(lián)合大學生物系。由于他勤奮努力,成績優(yōu)異,成為生物系教授張景鉞的得意學生。1942年自西南聯(lián)大畢業(yè)后,沈善炯入清華大學農(nóng)業(yè)研究所隨戴芳瀾教授研究真菌。1945年經(jīng)張景鉞介紹到四川北碚中央研究院植物研究所任助理研究員。抗戰(zhàn)勝利后,1946年,沈善炯隨張景鉞到北京大學植物系工作,任研究助教。

1947年經(jīng)張景鉞介紹,沈善炯獲美國加州理工學院獎學金赴美留學,專修生物化學遺傳學。他的導師是NH霍羅威茲(Horowitz),副導師是著名有機化學家L切赫梅斯特(Zechmeister)。為了補充化學基礎,他輔修有機化學。加州理工學院生物系是分子生物學的搖籃,云集著一批杰出的科學家,濃厚的學術空氣對沈善炯產(chǎn)生很大影響,他刻苦求學,取得優(yōu)異的成績,1950年6月獲得博士學位,經(jīng)導師介紹去威斯康星大學生化系當博士后研究員。朝鮮戰(zhàn)爭爆發(fā),愛國學者紛紛要求回國,他辭去威斯康星大學的聘約,于8月31日離美回國。

沈善炯于1950年11月回到祖國,經(jīng)談家楨和丁振麟教授的介紹入浙江大學醫(yī)學院生化科任副教授。1952年轉(zhuǎn)到中國科學院實驗生物研究所植物生理研究室任副研究員。1953年,植物生理研究室從實驗生物研究所分出擴建為植物生理研究所,他任微生物生理組組長,從事抗生素的研究。1956年升任研究員。1958至1959年經(jīng)蘇聯(lián)科學院恩蓋赫特(Engdhardt)院士推薦,去莫斯科蘇聯(lián)醫(yī)學研究所,在著名生化學家A布朗斯坦(Braunstein)實驗室工作一年,研究細菌的氮同化。歸國后中國科學院在上?;I建微生物研究所,他被任命為副所長,主管業(yè)務。1961年上海微生物研究所又歸并到植物生理研究所,他仍任副所長,先后協(xié)助羅宗洛、殷宏章兩位所長負責學術領導。

沈善炯的研究領域主要包括以下幾個方面:

首先是對古瓶菌和鏈孢菌的研究。

沈善炯在清華大學農(nóng)業(yè)研究所時,在真菌學家戴蘇瀾的指導下研究古瓶菌。他的第一篇論文被推薦發(fā)表在1944年的《美國植物學雜志》,這項工作糾正了前人對古瓶菌的錯誤描述。1947年—1950年在加州理工學院生物系當研究生時,他的主要工作是研究鏈孢菌的甲硫氨酸合成和酪氨酸酶,發(fā)現(xiàn)鏈孢菌酪氨酸酶的形成受溫度和含硫化合物的抑制。他的導師霍羅威茲根據(jù)他的發(fā)現(xiàn),深入研究了酶的結(jié)構(gòu)和誘導問題,豐富了基因和酶的學說。

其次是對抗生素的生物合成的研究。沈善炯從1953年開始從事抗生素的研究,解放之初,我國的抗生素生產(chǎn)幾乎是處于空白狀態(tài),一些發(fā)達國家禁止對我國出口,我國必須自力更生發(fā)展抗生素生產(chǎn),這是一項急迫的國家任務。

沈善炯主要承擔研究金霉素和鏈霉素的生物合成。他發(fā)現(xiàn)金霉菌分解己糖時,戊糖循環(huán)的運轉(zhuǎn)與金霉素的合成有關。根據(jù)實驗推論,金霉素分子的芳香族環(huán)部分,來源于1,7二磷酸景天糖,而磷酸鹽抑制金霉素的合成在于終止了戊糖循環(huán),結(jié)果抑制1,7二磷酸景天糖的合成。在這個結(jié)論的指導下,生產(chǎn)部門采取限制磷酸鹽濃度的發(fā)酵培養(yǎng)基,有效地提高了金霉素的生產(chǎn)。在研究鏈霉素的生物合成中,他和學生們證明了鳥氨酸循環(huán)的作用。精氨酸是鏈霉素鏈胍部分脒基的來源,這種由精氨酸與鏈胍之間的轉(zhuǎn)脒基反應,后來由他的學生證明僅在鏈霉素合成開始時即所謂獨特期(Idio-phase)進行,說明鏈霉素的合成受時態(tài)控制。沈善炯等在抗生素研究上的成績,在學術上和生產(chǎn)實踐上都有重要價值。該項成果獲1955年中國科學院成果獎(這是新中國成立后的第一次評獎,定名中國科學院獎,后改為國家自然科學獎一等獎)。

沈善炯和他的學生在鏈霉菌的研究中,發(fā)現(xiàn)了作用于煙酰胺輔酶的煙酰胺核酸酶,這個酶與核酸緊密結(jié)合,對熱和許多蛋白質(zhì)變性劑有高度穩(wěn)定性,只有經(jīng)核酸酶處理后才顯出其對pH的最適活性和其他特性。這種酶復合物的生理功能引起科學家的興趣。在鏈酶菌中他們還發(fā)現(xiàn)能使木糖轉(zhuǎn)變?yōu)槟就堑哪咎钱悩?gòu)酶??上М敃r沒有測定這個酶對己糖的作用,后來這個發(fā)現(xiàn)為日本SANMATSU KOGYO公司所應用,將葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖而獲得很大利潤。該公司在獲得專利后,特派人到中國來向沈善炯致謝。

在研究細菌的氮代謝時,沈善炯和他的學生在蘇聯(lián)布朗斯坦實驗室發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌中普遍存在丙氨酸脫氫酶(ADH),但測不到谷氨酸脫氫酶(GDH)的活力,只發(fā)現(xiàn)與GDH呈血清交叉反應的同源蛋白。后來他們應用誘變劑處理地衣芽孢桿菌獲得有活力的GDH。推測這個變化發(fā)生在GDH結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄后期,使無活性GDH蛋白變成有活性。這個發(fā)現(xiàn)引起國外生物化學家的注意,認為在生物演化上有重要的意義。

在研究細菌的糖代謝時,1963年他和學生在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)甲基乙二醛的合成酶,實驗指出己糖可以由3-磷酸二羧基丙酮經(jīng)甲基乙二醛而形成乳酸的支路進行代謝,磷酸鹽對這個支路代謝起調(diào)節(jié)作用。6年以后英國的RA庫泊(Cooper)和A安德森(Anderson)才報告同樣的發(fā)現(xiàn),但他們承認最先發(fā)現(xiàn)者是沈善炯和他的學生。

再次是對固氮基因的結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)的研究。

從1974年起,沈善炯研究自生固氮細菌的結(jié)構(gòu)、表達和調(diào)控的一系列遺傳學問題。在研究肺炎克氏桿菌的固氮nif基因組的精細結(jié)構(gòu)中,證實nif基因呈一簇排列,不存在所謂“靜止區(qū)”。在nif基因的分析方面,他們與美國威斯康星大學W布里爾(Brill)教授的實驗室合作,根據(jù)一個突變點nifC的位點以及它的互補現(xiàn)象,指出nifJ蛋白是由相同的兩聚體組成。他們通過nifH上游區(qū)的核苷酸序列分析以及基因融合試驗,最終確定nifJ的啟動子其轉(zhuǎn)錄方向與nifF相同,但與其他nif基因相反。

在研究nif基因的調(diào)節(jié)方面,沈善炯最早應用克隆技術,證明nifA蛋白對nif基因的調(diào)節(jié)作用,他們還就氧和溫度等因素對nif基因的調(diào)節(jié)作了系統(tǒng)和較深入的分析。他的學生在1980年首先發(fā)現(xiàn)nif基因受溫度的阻遏主要是由于nifA蛋白對溫度的敏感性。提出了較完整的以nifA為中心的nif基因調(diào)節(jié)模式。1985年他們利用突變,以ntrC依賴性的nifH突變型做試驗,證實氧對負調(diào)節(jié)基因nifL的作用在于它使nifA蛋白失活,從而使nif基因不能激活。

在研究調(diào)節(jié)的分子機制方面,沈善炯和來他實驗室工作的博士后D歐(Ow)等采用結(jié)構(gòu)基因nifH啟動子區(qū)的定點突變,發(fā)現(xiàn)共同性順序的某些核苷酸置換可以改變nifH啟動子對nifA蛋白的依賴性為ntrC蛋白的依賴性,沈善炯在1985年的第六屆國際固氮會議上應邀將這項成果作報告,此項工作被評為最近幾年來進展最快的工作之一,得到國際同行的高度評價,他的實驗室被認為是研究固氮基因分子遺傳學的國際研究中心之一。

沈善炯等在自生固氮細菌遺傳學方面的研究成果,肺炎克氏桿菌的精細結(jié)構(gòu)定位和特性研究獲得1979年中國科學院科技成果獎一等獎,1987年獲國家自然科學獎二等獎。

20世紀80年代開始,沈善炯的實驗室開展根瘤菌共生固氮的遺傳學工作。工作的重點在細菌和宿主植物間的相互作用的遺傳學關系。他們發(fā)現(xiàn)苜蓿根瘤菌與宿主植物建立的共生固氮系統(tǒng)中,結(jié)瘤基因和共生固氮基因的順序性表達。這項工作在1988年召開的第16屆國際遺傳學會上,沈善炯應邀作了專題報告。

此外,沈善炯等還及時開展了植物分子遺傳學的工作。他們選擇研究大豆種子貯藏蛋白基因,其目的在于了解植物基因表達的組織專一性和時態(tài)控制。在研究大豆Gy4基因的結(jié)構(gòu)和特性時,觀察到一些有意義的現(xiàn)象,如在基因的外顯子的多變區(qū)有類似可移動性因子的存在等。

沈善炯在科學上的成就以及對祖國科學事業(yè)所做出的貢獻,使他獲得國際上的聲譽。1978年加州理工學院在紀念T摩爾根(Morgan)建立生物系50周年所舉行的“基因,細胞和行為”的學術會議上,特邀請他作關于固氮基因的報告。美國南加州華人工程師和科學家協(xié)會,根據(jù)他在微生物生化和生化遺傳學研究上的成績,授予他杰出成就獎。1996年他獲美國加州理工學院杰出校友獎,1997年獲陳嘉庚生命科學獎,1999年獲何梁何利科學與技術進步獎。

沈善炯曾任中國遺傳學會副理事長,中國生化學會理事等職。

   沈善炯院士主要著作