華人觀點:醣科技的前景-科學人雜誌
【盤點暨出貨通知】親愛讀者,您好!
歲末將至,感謝您一貫以來的愛護和支持。本公司將於2021年12月6日(一)至12月10日(五) 進行年度盤點,若有訂閱需求,請於12月2日(四)15:00前下單採購,若於12月2日(四)15:00後下單,將於盤點結束(12月13日)後出貨,謝謝!
特別報導

華人觀點:醣科技的前景

2002-09-01 翁啟惠
繼基因組、蛋白組之後,醣化學生物學及其與蛋白組學關係的研究,也已蓄勢待發。醣類的化學結構十分複雜,功能也五花八門。如何從醣類的研究中發展出新的科技?且看中研院院士翁啟惠的觀察分析。 ──編輯部


醣類、蛋白質及核酸是生物界的三大巨分子。過去50年來,科學家對蛋白質及核酸在生命過程中所扮演的角色,已有相當程度的研究與了解,其所發展出的技術也帶動了生物科技的革命性發展。以基因重組技術改變細胞遺傳過程、製備新的蛋白質藥物、改良農產品及發展新的生物檢測方法等陸續問世,對促進人類健康及改善生活品質有巨大的貢獻。最近完成的人類基因組計畫,讓科學家著手深入研究基因如何表現其功能,功能基因及蛋白組學的新研究領域也跟著產生,並開始發展新的技術,以控制或治療基因功能失常所造成的疾病。生物科技的發展,因此進入分子醫學的新里程。


非比尋常的複雜

前面提及的這些革命性的發展,都是由於突破性生物技術的發明所造成,尤其是「聚合 酶連鎖反應」(PCR)及測定基因序列技術的發明,使生物學家有工具得以進行基因重組及設計各式的基因表現系統,來大量合成蛋白質、了解其構造與功能、開發蛋白質新藥;甚至設計及合成小分子藥物來抑制或調節蛋白質及基因的功能,進而治療疾病。因為蛋白質是由基因製造,基因序列直接決定胺基酸序列,而胺基酸序列又決定蛋白質的立體結構,所以有了基因,就能以生物技術來合成蛋白質進行相關的研究。反觀多醣序列及構造,卻無法從基因序列直接得到任何訊息。


多醣可能個別存在,也可能與其他分子結合在一起才有功能。細胞表面往往帶有特殊的糖分子,這類糖分子可能連在蛋白質上,也可能連在脂質上。而這些糖分子在細胞間的接觸與識別上扮演重要的角色,很多天然物的抗生素及中藥也需要醣類才表現活性,醣類的結構多樣性遠比蛋白質或核酸複雜。大部分有重要功能的多醣也往往與蛋白質或脂質結合在一起,形成醣蛋白或醣脂質,這些大分子的多醣一般由兩個至幾十個單醣組成,但也有只含一個單醣的醣蛋白。單醣結合的方式有多種,可以是直鏈式,也可以有分支;甚至主體結構不同,其所產生的分子多樣性也相當驚人。如再考慮多醣的修飾,其結構更難以計數。至於合成多醣序列的各個醣轉移及水解酵素,是如何從不同基因在不同的時間表現出來,以合成某一特定序列的多醣,至今還不清楚。


糖分子對醣蛋白的構造與功能所扮演的角色也還不清楚,科學家目前正致力於這方面的研究。因為很多蛋白質必須與醣類結合成醣蛋白才有功能,使功能基因及蛋白組學的研究更困難。大腸桿菌及其他低等細菌往往不合成醣蛋白,而高等生物合成醣蛋白的機制因種類的不同而有所區別,甚至同一體內不同組織細胞也合成含有不同醣類但相同蛋白的醣蛋白。可見醣類在生命過程中的複雜性及重要性,而研發醣蛋白醫藥品所面臨技術上的困難,也可見一斑。


合成技術所面臨的挑戰

目前科學家雖然可以用各種方法測定多醣序列(通常以化學法與酵素法水解醣鏈,並配合質譜儀或高壓液相層析來定出多醣序列),但其過程遠較基因序列與蛋白質序列的測定更複雜。多醣的合成一直沒有真正有效的自動化儀器,反之合成核酸或胜肽的固相合成儀早已問世,且相當普遍。發展多醣的自動化合成技術,可以說是目前科學界的一大挑戰。而因為多醣自動化合成技術開發的困難,使得生物學家一直沒有好的工具來研究醣類的生物功能。將來在這方面必須往簡單化、普及化的方向發展,讓不熟悉醣化學的科學家也能利用簡單的技術來合成醣類、研究醣類。這可能是決定將來醣科技的關鍵所在。


大體來說,目前多醣合成的技術正往三方面發展:自動固相合成及程式化的一次全合成,可能是將來合成少量多醣最好的方法;但自動固相合成比核酸及胜肽合成更複雜,且對進行組合化學(combinatorial chemistry)以製備分子多樣性的困難度相當高。程式化一次合成的好處是快速、方便,且可以很快進行組合化學以製備分子多樣性,但這方法必須依靠設計數百種適當的單體,決定其反應速率以供程式化選擇。目前已設計出300種左右的單體,等到有足夠的單體及簡單的反應儀器問世,程式化的一次自動全合成可能就是多醣組合化學的最有效技術。而以酵素(尤其是醣轉移酵素方法)來合成多醣的方法,也已成功開發出來,且用在多醣的合成。將來可以用基因重組技術取得各種醣轉移酵素,甚至可以將幾種不同的醣轉移酵素表現在同一細菌中,用以合成所需多醣。以上的化學及酵素法也可用來發展醣晶片,以供快速檢測及了解醣類在生物體中的功能,尤其對研究醣類與蛋白質及核酸的交互作用,將有相當大的幫助,進而加速醣類藥物的開發。


開啟未來無限商機

醣科學在生物技術工業發展中,雖還是屬於研究階段,但是可能是一非常特殊而且新的生技工業,因為大藥廠目前對醣類沒有足夠的研發經驗,任何與醣類有關的突破性發明,都可能引動無限商機。除了醣類合成技術需克服,以促進醣化學生物的發展,並找出新藥開發方向外,天然物中醣類的修飾、胺醣對RNA的作用、醣蛋白的合成、多醣與受體及免疫系統的作用、重要多醣生合成酵素抑制劑的開發,甚至醣晶片皆是非常好的研發項目。醣化學生物的研究,將是下一波生技工業開發的新領域。


# 關鍵字:特別報導化學翁啟惠生物科技
更多文章
活動推薦更多
追蹤科學人