糖化学的可控合成及批量制备

朱新远

上海交通大学化学化工学院

教授

鲍光明

江西农业大学动物科学技术学院

讲师

金　鑫

上海交通大学化学化工学院

助理研究员

颜德岳

上海交通大学化学化工学院

中国科学院院士

1　概要描述与关键技术

1.1　生物体中的糖

生物体的组成涉及四大基础物质：核酸、蛋白质、脂类和糖类（见图1）。其中糖类化合物是最特殊的一种，因为只有糖类化合物可以与另外三种物质进行组合，形成糖化物质（核糖核酸、糖蛋白和糖脂）；进化度越高的动物，体内糖化物质的含量越高。糖类分子和糖化物质不仅是生物体重要的结构单元，更是重要的功能分子，积极地参与受精、发育、分化、神经系统和免疫系统平衡态的维持，同时涉及炎症和自身免疫疾病、老化、癌细胞的异常增殖和转换、病原体感染等生理和病理过程。作为自然界中最大的生物信息库，多糖被认为是继核酸、蛋白质之后的第三条生命链，人类对生命本质的深入认识和研究将更多地依赖于对糖类分子的研究。糖化学，就是从糖的结构为出发点，研究结构对功能的影响。

图1　生物体中的糖

1.2　糖化学的挑战——难提取、难合成

依据糖环数量，糖类分子（见图2）主要可分为单糖、二糖、寡糖和多糖，在生物体中主要以糖链（寡糖和多糖）形式发挥功能。以目前的技术，提取天然的糖类分子和合成糖链以前将糖链特异性地降解都困难重重，主要原因是：

（1）自然界中的糖类化合物，常常以微观不均一性、高极性、低含量的形式存在，依靠分离手段从生物资源中提取组分均一、结构明确的糖链非常困难。

（2）化学合成方法虽然在一定程度上可以合成一些结构有限的寡糖分子，但绝大多数糖链具有自身多羟基、多构型、多分支的结构，糖链结构呈复杂且多变，导致糖的合成难以实现高效的自动化、规模化制备。

（3）与蛋白质和核酸不同的是，糖类分子不是基因直接控制的模板复制产物，其生物合成除受酶基因表达的调控外，还受酶活性的影响，所以糖链合成不能像核酸和蛋白质那样可采用扩增的方法和表达的生物手段来实现。

由于糖链合成等关键技术尚未突破，糖链所蕴含的生命奥秘远未被揭示，巨大的研究空间和无数未知领域亟待探索和研究。糖类化合物的可控合成及批量制备，将为糖生物学研究提供坚实基础和重大机遇，有望解决化学、材料、生命和医学等众多领域中存在的关键科学和技术问题。

图2　糖类分子化学结构

1.3　糖化学的可控合成及批量制备

未来的糖链合成将在糖化学生物合成的启发下，催生仿生糖化学的发展，从而构建糖分子人工糖受体库。在活化剂的帮助下，以人工糖受体为模版，将非保护的单糖选择性地高效偶联起来，像堆积木一样拼接出目标糖链，实现糖链的可控合成。在此基础上，再附上电脑的程序化软件，便可让糖链的合成在非糖化学专业人士的电脑控制下实现自动化、规模化生产。糖类化合物的可控合成及批量制备，将为生命、健康、能源、信息等众多领域提供重要物质基础。

2　应用意义与前景

糖化学的可控合成和批量制备，是化学领域的一项重大突破，也是未来最为重要且最有影响力的高新技术之一，不仅能为人类社会提供重要物质基础和能源保障，而且为每个生命个体的精准化和个性化医疗提供关键技术支撑。