中國海洋大學科研團隊破譯“糖衣密碼”！成果登上Science子刊！

空腸彎曲桿菌是引發(fā)全球腹瀉的主要“犯罪團伙”，更是引起五歲以下兒童死亡的第二大因素，其中血清型HS:4是最臭名昭著的“犯罪小分隊”。這一團伙對抗生素有極強的耐藥性，被世界衛(wèi)生組織列為高優(yōu)先級的耐藥菌。

想象一下，空腸彎曲桿菌穿著一件帶毒刺的“糖衣外套”在人體內搞破壞，引發(fā)人體腹瀉。科學家發(fā)現，只要提前教會免疫系統(tǒng)認清這件“糖衣外套”，就能防住細菌入侵——這就是疫苗的原理。

但問題來了：細菌的糖衣像是一套超復雜的樂高，由幾十種糖分子組成，直接提取成本高、雜質多。科學家決定人工仿造糖衣的關鍵碎片，這種人工仿造即是“化學合成”。

近日，醫(yī)藥學院、海洋藥物教育部重點實驗室李明教授團隊，闖過化學鍵直接構建、合成糖鏈、免疫學測試等三關考驗，先后合成HS:4莢膜二糖、四糖、六糖和八糖片段，搭建出空腸彎曲桿菌糖衣的“微型模型”，并聯(lián)合香港大學李學臣教授以及香港理工大學陳聲教授協(xié)同開展免疫原性評價研究，相關成果發(fā)表在國際知名學術期刊Science Advances（《科學進展》）。研究成果得到了國際評審專家的一致肯定，被評價為該領域“非常高水平的綜合工作”，下載量已突破2600次。

成果發(fā)表在國際知名學術期刊Science Advances（《科學進展》）

直接構建最小糖衣單元

研究發(fā)現，細菌糖衣上哪怕一個最小的糖紐扣“二糖”也能被免疫系統(tǒng)記住。只要合成這個最小特征糖塊，就可以用來制作疫苗。

對于空腸彎曲桿菌來說，這個最小糖紐扣便是一種罕見庚糖——6-脫氧-D-艾杜庚糖。

“合成罕見庚糖太難了！”工作伊始，團隊就遇到了最棘手的難題。

李明介紹道：“這種罕見庚糖的構建難點在于，它需要與其小伙伴以特定姿勢綁在一起，這種姿勢很難‘擺’，并且它與小伙伴‘不愿意’結合在一起。”用他們的行話來說，就是要解決直接構建具有熱力學不利的單糖之間連接鍵（1,2- 順式-β-D-艾杜糖苷鍵）的難題。

細菌的糖衣結構就像密碼鎖，而艾杜庚糖是破譯所需的關鍵密碼。合成這個關鍵密碼，正是該項研究成果的亮點所在，為了實現這一突破，他們用了2年的時間。2021年，團隊在首次合成空腸彎曲桿菌CG8486莢膜六糖時，曾用多步間接策略來構建這個關鍵密碼，相關工作發(fā)表于《美國化學會志》。但李明很快意識到，間接合成法的效率過低，所以論文剛被接收，團隊就馬不停蹄開始籌劃直接構建的課題。

李明為課題組作報告

團隊成員、文章共同第一作者王建軍博士介紹道：“目前還沒有一種通用的方法可以實現β-艾杜糖糖苷鍵的直接構建，因為異頭位效應與空間位阻效應使這個糖苷鍵熱力學上不穩(wěn)定。”熱力學不穩(wěn)定會使得某些糖分子像同極磁鐵一樣不肯結合。于是，團隊想到了用化學催化劑當“和事佬”，強行讓糖分子成功牽手。

這個“和事佬”便是創(chuàng)新性融合位阻效應控制、遠程參與效應調控與異頭位 SN2取代反應協(xié)同策略，成功解決了關鍵密碼的直接構建難題。

這個合成策略的價值不僅限于基礎研究領域。李明補充說：“含β-D-艾杜糖苷結構的天然產物和藥物，都可以參考我們的方法進行更高效的合成，或者通過這個方法將D-艾杜糖引入藥物中，進行藥化研究。”

李明（左二）與學生在實驗室

搭建細菌糖衣積木

不同于現實生活，在化學合成里，科學家們需要“過河拆橋”。

在攻克第一關時，團隊用了一個“巨型安全帽”精準完成關鍵密碼的直接構建。但要繼續(xù)合成四糖甚至更大的糖，需要拆掉這個保護基——特戊酰基（Piv）保護基，高效地構建糖鏈。

團隊成員李其帥博士介紹道：“‘巨型安全帽’能夠以大體積保護糖分子，使其在關鍵密碼構建時不會受到傷害；但是若脫不掉，便無法延長糖鏈，拼不出更復雜的積木。”

2023年，團隊轉變思路，在保留“巨型安全帽”大位阻優(yōu)勢的前提下對其進行改造，設計并合成了能夠在溫和條件下選擇性高效脫除的新型保護基，找到了2.0溫和版的“巨型安全帽”。

“這個優(yōu)化過程并不輕松，我們在廣泛篩選的基礎上進行了大量底物的驗證，發(fā)現2.0溫和版“巨型安全帽”既保留了1.0版控制構型的優(yōu)勢，又可高效脫除。”李明介紹，這一重要的工作為后續(xù)全合成掃清了最大障礙。接著，團隊快馬加鞭完成了四糖、六糖、八糖的合成工作，勝利在望，卻在積木即將完工時遇到了難啃的“硬骨頭”——裸露八糖的純化。

搭積木時，除了必需的零件，通常還會有富余的零件。同理，化學合成不僅會合成需要的成分，還會合成多余的成分。越復雜的模型，多余的成分越難分離。

如何處理這些成分呢？李明團隊通常采用柱層析分離法，讓混合物里的不同成分賽跑，按順序“逮捕”純凈成分。但裸露八糖極性大、拖尾嚴重，在分離時會像蝸牛爬坡一樣分散流出，且摻雜著大量多余的極性物質，無法完全實現分離純化。

“如果無法獲得純凈終產物，將導致整個課題功虧一簣。”李明與團隊憂心忡忡。團隊成員在關鍵時刻靈機一動，想到“隔壁”課題組有專業(yè)的凝膠分離設備，在跨課題組的技術協(xié)作下，順利完成了終產物的分離純化。

和“傲嬌”的糖分子斗智斗勇，團隊一路見招拆招，終于搭建出了空腸彎曲桿菌糖衣的“微型模型”。

李明（左二）與學生在討論課題

糖衣疫苗實戰(zhàn)測試

2024年，李學臣、陳聲團隊接過李明的接力棒，將合成糖鏈帶到了免疫學實驗室，通過小鼠免疫實驗和細胞侵襲實驗，著手探究寡糖的免疫原性。

空腸彎曲桿菌CG8486英膜寡糖的合成及其免疫原性評價

“最讓我難忘的瞬間，是收到小鼠免疫數據的那天——四種合成寡糖均成功激發(fā)體液免疫應答。大家都非常激動，這證明了我們費盡心思做出的寡糖的確具有實用價值，而非為了合成而合成。”李明笑著回憶。在他看來，跨學科合作正如化學反應中的高效“催化劑”，能顯著降低科研創(chuàng)新的活化能，碰撞出新的科研火花，學生也能在多重視野中實現全方位成長。

“這項突破為抗擊耐藥性空腸彎曲桿菌提供了全新思路，也是空腸彎曲桿菌糖疫苗研究領域的重要進展。”研究成果得到了國際評審專家的一致肯定，被評價為該領域“非常高水平的綜合工作”，下載量已突破2600次。

回頭看，正是這種“方法學突破-全合成驗證-生物功能評價”的三段式推進，讓整個研究既有化學創(chuàng)新，又具醫(yī)學價值。

此外，在李明的統(tǒng)籌安排和細致布局下，團隊中的兩名研究生王建軍、李其帥，從課題伊始的合成單糖原料起步，既培養(yǎng)了實驗基本功，還為后續(xù)復雜合成積累了原料，在交叉學科中找到了創(chuàng)新點，并分別以第一作者發(fā)表了重要成果。

說起課題攻關過程中的遺憾之處，李明坦言，作為合成化學工作者，他渴望重現擁有長達三十四復雜結構的天然莢膜多糖，但現階段研究證實二糖結構已具備疫苗抗原潛力，且向后推進困難重重，“換個角度想，在科學探索中實現理想與現實的辯證統(tǒng)一，恰是合成化學的精妙所在”。

向未來，團隊計劃結合實驗和理論計算，解析β-D-艾杜糖苷鍵的形成機制，“知其所以然”；同時，在合成其他主要致病型空腸彎曲桿菌的莢膜寡糖的基礎上，研發(fā)多價疫苗，為免疫系統(tǒng)配置“多重防護網絡”。

“我們希望打通從化學合成到免疫評價的全流程，讓這些合成糖鏈真正轉化為臨床可用的防護盾牌。”李明對研究前景信心滿滿。

來源 / 中國海洋大學報

作者 / 王紅梅

編輯 / 趙芯芯

責任編輯 / 劉蒞 張慧