ROBERT BIRD

Information Scientist

CAS

糖不僅對細胞的正常生理過程至關重要，而且在細胞的病理過程中也扮演著非常重要的角色。細菌和病毒甚至可以透過識別它們來感染宿主。儘管糖生物學仍然是一個難以突破的研究領域，但近年來，隨著糖生物學領域的研究工具越來越先進，多種學科的研究人員對糖生物學產生了濃厚的興趣。先進的研究工具之一正是

生物正交化學

，生物正交化學可以用於追蹤聚糖（即與蛋白質和肽相連的碳水化合物結構）在細胞或生物體內的合成、代謝及運輸途徑（如圖1）。

最近，Carolyn Bertozzi的研究團隊利用生物正交化學發現了令人驚歎的新生物分子——glycoRNA （Carolyn Bertozzi的研究團隊多年來一直處於生物正交化學領域的研究前沿）。本文將深入探討生物正交化學及其應用，特別是對於它如何助力推動糖生物學領域向前發展，以及生物正交化學的未來機遇。

圖1：聚糖附著在細胞表面受體的細胞外區域

什麼是生物正交化學？

生物正交化學（Bioorthogonal chemistry）這個術語是由Bertozzi的研究小組創造的，該研究小組多年來一直引領生物正交化學領域。生物正交化學是在生物環境中發生的一組對生物分子影響最小或對生化過程干擾最小的反應。生物正交化學過程符合生物系統中發生反應所需的嚴格標準：

反應必須在生理環境的溫度和pH值下進行。

反應必須有選擇性地提供高產率的產物，並且不受複雜生物環境中的水或內源性親核試劑、親電試劑、還原劑或氧化劑的影響。

即使在低濃度下，反應也必須迅速，並且能夠形成穩定的反應產物。

反應應涉及生物系統中天然情況下不存在的官能團。

生物正交化學有什麼用途呢？

利用CAS內容合集（CAS Content CollectionTM），我們分析了2010年至2020年間生物正交化學應用的出版物趨勢（如圖2）。成像是2010年至2020年間生物正交化學應用最多的領域，其次是藥物開發和藥物遞送。

圖2：2010 - 2020年間生物正交化學出版物數量*。圖中呈現了生物正交化學出版物的總量，以便於比較。

*因為2010年是“生物正交化學”相關文獻數量較前一年顯著增加的第一年，所以我們選擇2010年作為分析的起始年。約90%包含關鍵詞“bioorthogonal”或“bio-orthogonal””的文獻都是在2010年之後出版的。

進一步分析發現，蛋白質生物正交化學相關的出版物數量最多，可能是因為該領域的研究方法最為成熟，而其他領域也在穩步增長，包括相對較新的聚糖領域（如圖3）。

圖3：2010 - 2020年間CAS內容合集（CAS Content Collection）中生物正交化學及其特定用途的相關文獻量。圖中呈現了同一時期生物正交化學的年度出版量。

在聚糖成像上的應用

生物正交化學已被證明是瞭解聚糖結構、定位和生物功能的重要工具。聚糖是附著在細胞壁上多肽、蛋白質和脂類上的寡糖，可以用於選擇性地觀察細胞型別。糖代謝前體包括許多用於生物正交反應的化合物，如疊氮化物、末端炔烴和高張力炔烴（strained alkynes）。可藉助適當的生物正交搭檔化合物來觀察聚糖，例如，疊氮化物可以與含膦酯或硫酯的化合物進行Staudinger反應或無痕Staudinger連線反應、末端炔烴或高張力炔烴則可以分別參與CuAAC或SPAAC反應。

生物正交化學推動糖生物學向前發展

目前，RNA還不是糖基化的主要目標；然而，一項最近的重大發現卻是使用代謝標記和生物正交化學發現了“glycoRNA”。透過一系列化學和生化方法，Ryan A。 Flynn博士帶領的Bertozzi研究小組發現，保守的小非編碼RNA帶有唾液化聚糖，並且這些glycoRNAs（帶有唾液化聚糖的RNA）存在於多種細胞型別和哺乳動物物種的人工培養細胞內和體內。

這一發現使用的策略是使用可發生點選化學反應的疊氮基團修飾的前體糖對細胞或動物進行代謝標記。疊氮糖能夠與生物素探針發生生物正交反應，以在細胞納入聚糖後對聚糖進行富集、鑑定和觀察。使用疊氮標記的唾液酸前體，過乙醯化的N-疊氮基乙醯甘露糖胺（Ac4ManNAz），發現疊氮化物的反應性存在於從標記細胞中高度純化得到的RNA製備物中。GlycoRNA組裝取決於規範的N-聚糖生物合成機制，併產生富含唾液酸和巖藻糖的結構。對活細胞的進一步分析表明，大多數glycoRNA存在於細胞表面，並且可以與抗dsRNA抗體和Siglec受體家族的成員相互作用。我們有必要更深入地研究glycoRNA的作用。

藉助生物正交化學，在RNA生物學和糖生物學之間建立了直接的連線介面，同時還有許多其他的發現有待探索。

生物正交化學在未來有哪些機遇？

生物正交化學在科學和醫學領域有著廣泛的應用，近年來已顯著地推進了這些領域的研究進展。除了透過glycoRNAs的發現推動了糖基化領域的發展以外，生物正交化學在藥物遞送領域也顯示出了良好的應用前景，而且在藥物靶向方面的應用範圍在未來很可能會進一步擴大。例如：

藥物製劑的原位合成：生物正交化學可能會有助於用較小的前體來組裝藥物。在需要的時間創造藥物，藥物就會更有效、毒性更低；藥物干預的範圍也可以擴大。

聚糖標記：科學家已使用葉酸配體生成了含有疊氮化物標記的半乳糖胺的脂質奈米粒。由於腫瘤組織中葉酸受體的增加，LNP發生內化，隨後LNP所載的含有疊氮化物標記的半乳糖胺被釋放到腫瘤細胞中。當腫瘤細胞暴露於人類血清中時，腫瘤膜納入疊氮修飾的雙苯環辛烷，觸發免疫反應。

點選釋放：該方法是利用生物正交化學控制藥物釋放的時機和位置，產生對靶細胞有選擇性毒性的藥物。

隨著科學家們對反應的不斷開發和細化，生物正交化學將成為進一步深入研究的重要工具。