醫學

醣分子開啟製藥新時代

「醣」是生物體內三大重要分子之一,重要性不亞於DNA和蛋白質,但是醣分子構造複雜,是科學家了解最少也最不願意研究的領域,卻是治療許多疾病的契機,例如癌症、流感和抗藥性細菌。2014年沃爾夫化學獎得主翁啟惠獨步全球,發展出「自動化一鍋法」,突破傳統困境,可以人工合成許多種醣類,在醫療上有多種應用,即將開啟生技製藥新時代。

撰文/龐中培

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醣分子開啟製藥新時代

「醣」是生物體內三大重要分子之一,重要性不亞於DNA和蛋白質,但是醣分子構造複雜,是科學家了解最少也最不願意研究的領域,卻是治療許多疾病的契機,例如癌症、流感和抗藥性細菌。2014年沃爾夫化學獎得主翁啟惠獨步全球,發展出「自動化一鍋法」,突破傳統困境,可以人工合成許多種醣類,在醫療上有多種應用,即將開啟生技製藥新時代。

撰文/龐中培

重點提要
■醣類是生物體內重要的分子,但是結構複雜,而且合成困難,因此相關的研究一直落後DNA、RNA和蛋白質。
■2014年沃爾夫化學獎得主翁啟惠發展出合成寡醣的酵素法和自動化一鍋法,推動了醣相關研究與醫學的進展。
■目前醣類研究已和癌症、流感及抗藥性細菌的偵測與治療有關。
■台灣已經有數種醣相關藥物進入臨床試驗,或是即將完成最後的試驗,很可能在不久之後上市。

生命科學是20世紀的顯學,在21世紀,科學家已經可以任意操作遺傳物質、創造新奇蛋白質,甚至合成生物、列印器官,但是我們對於生物合成醣類的知識,以及人工合成醣類的方法,相較之下還相當淺薄。

科學家並非刻意忽略醣類,而是力有未逮。醣類又稱為碳水化合物,雖然在生活周遭相當常見,但是構造複雜,性質也大不相同,例如澱粉與纖維素都是碳水化合物,澱粉是植物儲存光合作用能量的主要形式,也是許多動物的熱量來源;纖維素則是植物細胞壁的主要成份,是一種強韌的分子,木材中的主要化合物就是纖維素,只有極少數的微生物能夠分解它。這兩種碳水化合物都是由葡萄糖這種單醣互相連接所組成的長鏈聚合物,但是性質南轅北轍,主要原因就出在它們有著複雜的立體結構,以及不同的醣分子連結鍵。

同樣為聚合物,遺傳物質DNA和RNA的組成單元是核苷酸,不論其序列如何變化多端,或記錄了各種神秘的遺傳訊息,基本上它的構造是線狀的。從遺傳訊息轉譯而製造出的蛋白質雖然有著複雜的立體結構,但是這樣的結構是由基本單元胺基酸的序列主導,科學家可以從DNA的序列推測之後會轉譯出的蛋白質的結構。

醣類的基本單元是單醣,食物中含量豐富、大家耳熟能詳的葡萄糖、果糖和半乳糖等都是單醣,含有六個碳原子。DNA和RNA中的核糖則含有五個碳原子,其他的單醣所含碳原子的數量在三到九之間,而人體中常見的單醣大約有九種,種類雖然少於必需胺基酸的20種,但是由於醣分子上每個碳原子都連接著容易和其他化合物作用的原子團羥基(–OH),光是這些羥基在立體空間中的方位不同,就足以造成聚合物性質極大的差異,例如前面提到的澱粉和纖維素。

除此之外,單醣可以彼此結合成有分支的聚合物(核苷酸聚合物和胺基酸聚合成的胜肽不會有分支),而這些分支上又可以添加新的分支,這種結合方式使得醣類聚合物的複雜程度,可以因為單醣的數量增加而成指數成長。若由人體常見的九種重要單醣的四種任意組合成寡醣,估計可能的組合方式超過1500萬種;而生物體中許多寡醣是由四個以上的單醣所組成,因此要精確合成特定的寡醣,便成了化學家的噩夢。科學家在數十年前就可以自動化合成DNA、RNA和胜肽,藉由生物系統,也可以輕易合成出各種蛋白質,醣類則一直缺乏高效率的合成法。不過困難之處,就是突破之處。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2014年第148期6月號】