解释：生命的糖衣

从狭义上讲，糖生物学是研究聚糖的结构、生物学和进化的学科，聚糖是每个生物体中发现的碳水化合物和糖衣分子。正如麻省理工学院最近的一次研讨会所明确指出的那样，该领域正处于复兴之中，这可能会重塑科学家对生命基石的理解。

糖生物学最初创造于 1980 年代，用于描述碳水化合物化学和生物化学传统研究的融合，现已涵盖更广泛的多学科思想。对于这个快速增长的领域来说，“糖科学”实际上可能是一个更合适的名称，反映了它不仅在生物学和化学方面的广泛应用，而且在生物工程、医学、材料科学等领域也得到了广泛的应用。

“越来越明显的是，这些聚糖在健康和疾病中起着非常重要的作用，”诺华化学教授Laura Kiessling说。“最初可能看起来令人生畏，但设计新工具和识别新的互动方式需要麻省理工学院人们所拥有的那种创造性解决问题的技能。

身体的糖衣

聚糖包括一组具有线性和支链结构的多种分子，这些分子对基本的生物学功能至关重要。没有已知的例外，自然界中的所有细胞都涂有这些糖分子——从大多数细胞表面周围的复杂糖链到糖像支架一样附着在脂质和蛋白质上时形成的共轭分子。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。

“精子与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。“没有这些互动，我们任何人都不会存在。”

虽然谈论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，如纤维素，为多细胞生物提供结构框架。它们介导细胞之间的通讯;影响宿主和寄生虫之间的相互作用;并塑造免疫反应、疾病进展、发育和生理学。

“事实证明，其中一些结构，直到最近我们才知道在体内如此丰富，具有许多不同的生物学功能，”安德鲁和埃尔娜·维特比生物工程教授Katharina Ribbeck说。“随着知识的快速扩展，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，将其作为查明疾病驱动因素的工具。

许多疾病都与聚糖在体内产生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。这包括某些形式的癌症。癌细胞甚至被证明可以隐藏在某些糖蛋白中以逃避免疫反应。

另一方面，聚糖可能是潜在疗法的储存库。例如，血液稀释剂肝素是世界上最畅销的处方药之一，是一种基于碳水化合物的药物。

聚糖和糖结合蛋白（如凝集素）甚至有助于影响从大脑到肠道的人体粘液层之间的微生物交换。粘液上悬挂的聚糖与微生物相互作用，让好的聚糖进入，并通过中断细胞信号传导或阻止病原体释放毒素来降低有问题的聚糖的毒力。

推进旧科学的新工具

尽管这种“糖衣”很重要，但长期以来，分子生物学家专注于核酸和蛋白质，而对包裹它们的糖相对较少。

“我们用来检查其他分子功能的工具对于聚糖来说基本上是不存在的，”Kiessling说。

例如，细胞的DNA和RNA序列可以预测细胞产生什么蛋白质，因此科学家可以使用基因编码的标签来追踪蛋白质的位置以及它在做什么。但是聚糖的结构在细胞的DNA中并没有那么明显地编码，单个蛋白质可以用许多不同的碳水化合物链来装饰。

此外，碳水化合物可以采取的形式种类繁多，而且它们在血液中迅速分解，这使得合成聚糖或靶向聚糖进行药物开发变得具有挑战性。因此，需要创造性的新方法来跟踪它们。

这是一个典型的先有鸡还是先有蛋的情况。随着科学家们更好地了解聚糖对许多生物过程的重要性，这激励他们开发更好的工具来研究聚糖，从而产生更多关于这些分子可以做什么的数据。事实上，2022 年，诺贝尔奖授予了斯坦福大学的 Carolyn Bertozzi，她是糖生物学的先驱，以表彰她在追踪细胞中分子方面的工作，她和其他人已将其应用于聚糖。

但人工智能可以促进该领域的进化飞跃。

“我认为糖生物学比几乎任何其他领域都更成熟，可以进行人工智能解释，”Ribbeck说，并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“聚糖密码”。这将使研究人员能够根据聚糖结构数据预测其实际功能。从那里，他们可以确定哪些变化会导致疾病或增加疾病易感性 – 最重要的是，提出修复这些缺陷的方法。

跨学科和跨学科的努力

对计算的兴趣日益浓厚，反映了从一开始就定义糖科学的内在跨学科性。

例如，在麻省理工学院，整个研究所都在进行相关研究。Kiessling将麻省理工学院描述为“跨学科研究的游乐场”，该领域在生物技术、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布莱恩·布赖森（Bryan Bryson）和麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所（The Broad Institute of MIT and Harvard）的核心教员黛博拉·洪（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）正在开创一种方法，以更好地了解聚糖在免疫系统中的作用。怀特黑德生物医学研究所（Whitehead Institute for Biomedical Research）的研究员托比·奥尼（Tobi Oni）正在寻求聚糖来帮助检测和靶向胰腺癌中的肿瘤。1922届生物学和化学教授Barbara Imperiali正在研究包裹细菌等微生物细胞的碳水化合物，化学系的Matthew Shoulders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，但新的是麻省理工学院可以通过科学、工程和计算的创造性结合做出的贡献。