研究人員正在努力推動糖科學領域的發展，揭示碳水化合物對人類健康和疾病的重要作用。從狹義上講，糖生物學是對糖的結構、生物學和前進演化的研究，糖是存在於每個生物體內的碳水化合物和糖衣分子。正如最近在麻省理工學院舉行的一次研討會所表明的那樣，這一領域正處於復興之中，可能會重塑科學家對生命構成要素的認識。
糖生物學最初誕生於上世紀八十年代，用於描述碳水化合物化學和生物化學傳統研究的融合，現在已經涵蓋了更廣泛的多學科思想。實際上，"糖科學"可能是對這一迅速發展的領域更恰當的稱呼，因為它不僅廣泛套用於生物學和化學，還套用於生物工程、醫學、材料科學等領域。
諾華化學教授勞拉-基斯林（Laura Kiessling）說："人們越來越清楚地認識到，這些聚糖在健康和疾病中扮演著非常重要的角色。一開始可能看起來令人生畏，但設計新工具和確定新型相互作用需要的正是麻省理工學院學生所具備的創造性解決問題的能力"。
醣類包括多種具有線性和支鏈結構的分子，對基本生物功能至關重要。從大多數細胞表面周圍錯綜復雜的糖鏈，到醣類像支架一樣附著在脂質和蛋白質上形成的共軛分子，自然界中的所有細胞無一例外都有這些糖分子的塗層。它們絕對是生命的基礎。例如，基斯林指出，地球上最豐富的有機分子是碳水化合物纖維素。
"精卵結合是由蛋白質和碳水化合物之間的相互作用促成的，"她說。"如果沒有這些相互作用，我們都不會存在。"
雖然談論碳水化合物和糖可能會讓一些人把註意力集中在飲食上，但實際上糖是最重要的生物大分子之一。它們儲存能量，在某些情況下，如纖維素，為多細胞生物體提供結構框架。它們介導細胞之間的交流，影響宿主與寄生蟲之間的相互作用，並影響免疫反應、疾病進展、發育和生理。
勞拉-基斯林（Laura Kiessling）教授的實驗室中，研究人員正在努力了解蛋白質與碳水化合物在分子水平上的相互作用，如圖中所示的蛋白質人類內ectin-1（hiTLN-1）。了解這種蛋白質的糖生物學特性有助於開發新的抗生素和抗菌療法。圖片來源：基斯林實驗室
安德魯和埃爾娜-維特比生物工程學教授卡塔琳娜-裏貝克（Katharina Ribbeck）說："事實證明，直到最近我們才知道體記憶體在如此豐富的一些結構，它們具有如此多不同的生物功能。隨著知識的迅速擴充套件，我們感覺才剛剛開始了解這些功能對生物學的多樣性和重要性。"
隨著人們對這些分子的普遍性和關鍵性有了更深入的了解，生物技術和醫學等套用領域的研究人員已將註意力轉向糖科學，將其作為確定疾病驅動因素的工具。
許多疾病都與體內聚糖生成方式的缺陷或糖基化問題有關，糖基化是碳水化合物附著在蛋白質和其他分子上的過程。這包括某些形式的癌癥。甚至有研究表明，癌細胞會將自己包裹在某些糖蛋白中，以逃避免疫反應。
另一方面，醣類也可能是潛在治療藥物的寶庫。例如，世界上最暢銷的處方藥之一--血液稀釋劑肝素就是一種基於碳水化合物的藥物。
甘聚糖和凝集素等糖結合蛋白甚至有助於影響人體內從大腦到腸道粘液層的微生物交換。粘液上懸掛的醣類與微生物相互作用，透過幹擾細胞訊號或阻止病原體釋放毒素，讓好的微生物進入，並降低有問題微生物的毒性。
盡管這種"糖衣"非常重要，但長期以來，分子生物學家只關註核酸和蛋白質，而對包裹它們的糖相對關註較少。
同時也是麻省理工學院和哈佛大學布羅德研究所（Broad Institute of MIT and Harvard）成員的基斯林說："我們所擁有的研究其他分子功能的工具在聚糖上基本不存在。"
例如，細胞的 DNA 和 RNA 序列可以預測細胞制造的蛋白質，因此科學家可以利用基因編碼標簽追蹤蛋白質的位置和作用。但聚糖的結構在細胞的 DNA 中並沒有那麽明顯的編碼，而且一種蛋白質可以由許多不同的碳水化合物鏈裝飾。
此外，碳水化合物的形式多種多樣，而且在血液中會迅速分解，這使得合成聚糖或將其作為藥物開發的靶標變得十分困難。因此，需要創造性的新方法來追蹤它們。
這是一個典型的先有雞還是先有蛋的問題。隨著科學家們更好地了解聚糖對許多生物過程的重要性，這促使他們開發出更好的工具來研究聚糖，反過來又產生了更多有關這些分子功能的數據。事實上，2022 年的諾貝爾獎授予了史丹福大學的卡羅琳-貝托齊（Carolyn Bertozzi），她是糖生物學的先驅，她的工作是追蹤細胞中的分子，她和其他人將這項工作套用到了聚糖上。
但人工智能可以促進該領域的前進演化飛躍。
裏貝克說："我認為，糖生物學比幾乎任何其他領域都更成熟，可以進行人工智能解讀。"她解釋說，人工智能可以讓科學家們像解讀人類基因組那樣解讀"糖程式碼"。這將使研究人員能夠根據聚糖結構的數據預測其實際功能。由此可以確定哪些變化會導致疾病或增加對疾病的易感性，最重要的是，還能找到修復這些缺陷的方法。
人們對計算的興趣與日俱增，這反映了糖科學從一開始就具有固有的跨學科性。
僅以麻省理工學院為例，相關研究就遍及整個學院。基斯林將麻省理工學院形容為"跨學科研究的樂園"，這使得該領域在生物技術、癌癥研究、腦科學、免疫學等方面取得了重大進展。
在化學系，Kiessling 正在研究碳水化合物結合蛋白，以及它們與聚糖的相互作用如何影響免疫系統。她還與生物工程系副教授布萊恩-布賴森（Bryan Bryson）以及麻省理工學院和哈佛大學布羅德研究所（The Broad Institute of MIT and Harvard）的核心教師黛博拉-洪（Deborah Hung）合作，利用碳水化合物類似物測試南非結核病菌株的差異。同時，生物工程系助理教授謝茜嘉-斯塔克（Jessica Stark）正在開創更好地理解醣類在免疫系統中的作用的方法。懷特海生物醫學研究所的研究員托比-奧尼（Tobi Oni）正在研究如何利用聚糖來幫助檢測和釘選胰臟癌中的腫瘤。生物和化學系1922級教授芭芭拉-伊米耶裏（Barbara Imperiali）正在研究包裹細菌等微生物細胞的碳水化合物，化學系馬修-比澤斯（Matthew Shoulders）教授正在研究聚糖在合成和折疊蛋白質中的作用。
裏貝克說："我們正處於一個非常令人興奮的獨特位置，結合各學科來解決和回答與疾病和健康相關的全新問題。這個領域本身並不新鮮，但新鮮的是麻省理工學院，尤其是麻省理工學院，可以透過科學、工程和計算的創造性結合做出貢獻"。
編譯來源：ScitechDaily
