糖生物学的发展超越了它在碳水化合物化学中的根基，现在是理解生命分子机制的一个关键领域。聚糖在各种生物功能中至关重要，是突破性研究和技术创新的焦点，揭示了它们在健康和疾病中的关键作用。来源:SciTechDaily.com
研究人员正在努力推进糖科学领域，阐明碳水化合物对人类健康和疾病的重要作用。
从最狭义的意义上说，糖生物学是研究每个生物体中发现的聚糖、碳水化合物和糖包分子的结构、生物学和进化的学科。正如麻省理工学院最近的一次研讨会所表明的那样，该领域正处于复兴之中，这可能会重塑科学家对生命构成要素的理解。
糖生物学最初是在20世纪80年代创造的，用来描述碳水化合物化学和生物化学的传统研究的融合，现在已经包含了更广泛和多学科的思想。“糖科学”可能更适合这个快速发展的领域，反映了它不仅在生物学和化学，而且在生物工程、医学、材料科学等领域的广泛应用。
诺华化学教授劳拉·基斯林说:“越来越清楚的是，这些聚糖在健康和疾病中发挥着非常重要的作用。”“一开始可能会让人望而生畏，但设计新工具和识别新的互动方式，恰恰需要麻省理工学院的学生具备创造性的解决问题的能力。”
身体的糖衣
聚糖包括一系列具有线性和分支结构的分子，这些分子对基本的生物功能至关重要。毫无例外，自然界中所有的细胞都被这些糖分子包裹着——从围绕大多数细胞表面的复杂的糖链，到糖像脚手架一样附着在脂质和蛋白质上形成的共轭分子。它们绝对是生命的基础。例如，Kiessling指出，地球上最丰富的有机分子是碳水化合物纤维素。
“精子和卵子的结合是由蛋白质和碳水化合物之间的相互作用介导的，”她说。“如果没有这些互动，我们都不会存在。”
虽然谈到碳水化合物和糖可能会让一些人专注于他们的饮食，但聚糖实际上是最重要的生物分子之一。它们储存能量，在某些情况下，像纤维素一样，为多细胞生物提供结构框架。它们介导细胞间的通讯;影响宿主和寄生虫之间的相互作用;并影响免疫反应，疾病进展，发展和生理。
在劳拉·基斯林教授的实验室里，研究人员正致力于在分子水平上理解蛋白质与碳水化合物的相互作用，例如图中所示的蛋白质人类智力素-1 (hiTLN-1)。了解蛋白质的糖生物学可以促进新的抗生素和抗菌疗法的发展。来源:Kiessling实验室
生物工程教授Katharina Ribbeck说:“事实证明，其中一些结构，直到最近我们才知道在体内存在如此丰富的结构，具有如此多不同的生物功能。”“随着知识的迅速扩展，感觉我们才刚刚开始了解这些功能对生物学的多样性和重要性。”
随着对这些分子的普遍性和重要性有了更好的了解，生物技术和医学等应用领域的研究人员已将注意力转向糖科学，将其作为确定疾病驱动因素的工具。
许多疾病都与体内产生聚糖的缺陷或糖基化问题有关，糖基化是碳水化合物附着在蛋白质和其他分子上的过程。这包括某些类型的癌症。癌细胞甚至被证明隐藏在某些糖蛋白中以逃避免疫反应。
另一方面，聚糖可能是潜在治疗方法的储存库。例如，血液稀释剂肝素是世界上最畅销的处方药之一，它是一种基于碳水化合物的药物。
聚糖和凝集素等糖结合蛋白甚至有助于影响人体黏液层之间微生物的交换，从大脑到肠道。悬挂在黏液上的聚糖与微生物相互作用，让有益的微生物进入，并通过中断细胞信号传导或阻止病原体释放毒素来降低问题微生物的毒性。
新工具推进旧科学
尽管这层“糖衣”是多么重要，但长期以来，分子生物学家都把注意力集中在核酸和蛋白质上，相对较少关注包裹它们的糖。
“我们所拥有的检查其他分子功能的工具在很大程度上是聚糖所没有的，”Kiessling说，他也是麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的成员。
例如，细胞的DNA和RNA序列可以预测细胞产生的蛋白质，因此科学家可以使用基因编码标签跟踪蛋白质的位置和它的作用。但是聚糖的结构在细胞的DNA中并没有如此明显的编码，而且一个蛋白质可以用许多不同的碳水化合物链来修饰。
此外，碳水化合物形式的巨大多样性，以及它们在血液中迅速分解的事实，使得合成聚糖或将其作为药物开发的目标变得具有挑战性。因此，需要创造性的新方法来追踪它们。
这是一个经典的先有鸡还是先有蛋的问题。随着科学家们更好地了解聚糖在许多生物过程中的重要性，这激励他们开发更好的工具来研究聚糖，反过来，产生更多关于这些分子能做什么的数据。事实上，在2022年，诺贝尔奖被授予了斯坦福大学(Stanford University)的卡罗琳·贝托齐(Carolyn Bertozzi)，她是糖生物学的先驱，因为她在追踪细胞分子方面的工作，她和其他人将其应用于聚糖。
但人工智能可以促进该领域的进化飞跃。
里贝克说:“我认为糖生物学比几乎任何其他领域都成熟，已经为人工智能的解释做好了准备。”他解释了人工智能如何使科学家能够以与人类基因组相同的方式读取“聚糖编码”。这将使研究人员能够根据其结构数据预测聚糖的实际功能。从那里，他们可以确定哪些变化导致疾病或增加疾病易感性，最重要的是，找到修复这些缺陷的方法。
跨学科的努力
对计算日益增长的兴趣反映了从一开始就定义了糖科学的固有的跨学科性。
例如，仅在麻省理工学院，整个学院都在进行相关研究。Kiessling将麻省理工学院描述为“跨学科研究的游乐场”，它在生物技术、癌症研究、脑科学、免疫学等领域的应用取得了重大进展。
在化学系，Kiessling正在研究碳水化合物结合蛋白，以及它们与聚糖的相互作用如何影响免疫系统。她还与生物工程系副教授Bryan Bryson以及麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所的核心教员Deborah Hung合作，使用碳水化合物类似物来测试南非结核病菌株的差异。与此同时，生物工程助理教授杰西卡·斯塔克(Jessica Stark)开创了更好地了解聚糖在免疫系统中的作用的方法。Tobi Oni是怀特黑德生物医学研究所的一名研究员，他正在寻找聚糖来帮助检测和靶向胰腺癌中的肿瘤。1922届的生物和化学教授芭芭拉·Imperiali正在研究包裹在细菌等微生物细胞外的碳水化合物，化学系的马修·休克斯教授正在研究聚糖在合成和折叠蛋白质中的作用。
“我们正处于一个非常令人兴奋和独特的位置，结合学科来解决和回答与疾病和健康相关的全新问题，”里贝克说。这个领域本身并不新鲜，但真正新鲜的是麻省理工学院能够通过科学、工程和计算的创造性结合做出的贡献。”
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