生物化學 科學報導

加速醣合成 — 多醣分子的自動化合成發展

分子參與許多重要的生理機制,包括修飾及調控蛋白質並影響功能,與脂質結合成為訊息傳遞分子,以及多分子在細胞表面扮演辨識的功能。分子也在許多疾病中擁有樞紐性的地位,在癌細胞與正常細胞表面具有不同的多組成,而在病毒感染的機制中也牽涉到分子的辨識,因此了解其結構與功能的關係一直是科學家所關心的。然而在分子的單元上具有許多基( OH )以及立體中心,另外區域選擇的磺酸化或乙醯化修飾,為結構增添了不少複雜度,舉例來,以一個肝素分子的雙組成單元來,就具有 48 種可能,多的結構複雜度就可想而知了。如何選擇性只合成科學家感興趣的多,成為科學家非常感興趣的議題。

的合成主要有兩種方法,化學方法合成以及酵素化合成。化學方法主要優勢是能獲得較高純度的物,苷鍵的建構主要採用 Koenigs-Knorr 方法,原理來自與受體(acceptor)與予體(donor)的耦合,受體是指帶有離去基團的分子、予體則是帶有活性氧原子的分子,在適當的條件下,離去基(leaving group)會被活化而予體能取代其位置,然而最後形成的苷鍵具有 alpha – 及 beta – 兩種可能,因此除了如何保護受體及予體而留下適當的反應中心,如何調控基化(glycosylation)的立體特異性也是亟待解決的問題。由於結構上的複雜性,分子一直以來缺乏了像是多、核酸一樣的自動化合成方法,在 2001 年,Peter Seeberger 的團隊首次展示了甘露糖分子的固相合成方法,其原理藉由不斷引入適當保護的單分子,不斷地進行選擇性去保護以及耦合,雖然其合成分子的複雜度還很低,並且充滿了許多限制像是不能引入像唾液酸(sialic acid)這種不穩定的單分子,但卻為自動化分子合成開了先河 [1]。而對於如何的適當保護單分子,中研院洪上程教授在 2007 年發表了重要的工作,利用一鍋化的策略,適當的挑選保護基團以調整鍵結的次序與方位,可在不需要太多純化的方法合成保護分子,留下所要的反應中心。[2]

在酵素化合成分子的發展中,最著名的就是前中研院院長翁惠帶領其團隊開發的『一鍋化酵素合成方法』,酵素最主要的好處,就是能在溫和、不需要太多保護的情況下,精準的調控立體及位置選擇性,然而也因此酵素對受質有高度選擇性,往往只能催化天然的受質反應,不像化學合成對於類似反應有一定的通用性,目前固相的酵素合成方法主要受限於酵素對受質不太容易有良好的接觸,在溶液相的合成卻又有物純化的困擾,為了解決在自動化分子酵素合成的困難,在 2019 年,Geert-Jan Boons 帶領其團隊發表了一篇新穎的方法,利用在分子上放置特殊的磺酸鹽基團,在液相的狀態進行酵素反應,但是卻可以利用陰離子交換樹脂進行捕捉而進行固相萃取 [3],另用此策略可以讓酵素自動化合成方法變得更加方便且容易。

電腦科學的發展也讓多分子的合成變得更加容易,藉由大量合成的分子反應數據,翁惠團隊在 1999 年也開發了程式化一鍋化合成方法 [4],只要輸入所欲合成的寡結構,程式便可以建議多可能的合成路徑。然而受限於資料庫數據程式還是只能為較簡單得多分子合成提出建議,而在 2019 年,中研院宗益老師與許聞廉老師的團隊跨領域合作,開發了 Auto-CHO ,利用機器學習的優勢,將分子的合成已階層化處理,擴充程式模型可以預設的多複雜度,利用此軟體的幫助,研究團隊成功驗證了 Globo – H、fondaparinux、poly – LacNAc 和 SSEA – 4 這四種代表性多分子的合成路徑,希望可以為未來的分子合成提供有參考性的合成路徑 [5]。

分子合成的自動化發展,已經讓我們可以去解決許多在生物學裡面有趣的問題,化學與酵素方法的合成已經可以讓我們合成足複雜的分子,並且在電腦科學的幫助下為未來的多分子合成提供有用的建議,希望未來多分子的合成可以更加普及,讓科學家們可以對分子在生理中的角色更加認識,並且有效的對抗疾病。

圖一、多醣分子自動化合成示意圖(上方:電腦輔助自動化策略分析、下方:化學或酵素方法一鍋化合成) 圖片來源:蔡京庭製作

參考文獻:

  1. Plante, O. J., Palmacci, E. R., Seeberger, P. H. ( 2011 ). Automated Solid-Phase Synthesis of Oligosaccharides. Science, 291, 1523–1527. doi: 10.1126/science.
  2. Wang, C.-C., Lee, J.-C., Luo, S.-Y., Kulkarni, S. S., Huang, Y.-W., Lee, C.-C., Chang, K.-L., Hung, S.-C. ( 2007 ). Regioselective One-pot Protection of Carbohydrates. Nature, 446, 896–899. doi: 10.1038/nature05730.
  3. Li, T. H., Liu, L., Wei, N., Yang, J. -Y., Chapla, D. G., Moremen, K. W., Boons, G. -J. ( 2019 ) An Automated Platform for the Enzyme-mediated Assembly of Complex Oligosaccharides. Nat. Chem., 11, 229–236. doi: 10.1038/s41557-019-0219-8
  4. Zhang, Z. , Ollmann, I. R., Ye, X.-S. ,Wischnat, R., Baasov, T. , Wong, C.-H. ( 1999 ). Programmable One-pot Oligosaccharide Synthesis. J. Am. Chem. Soc., 121, 734–753. doi: 10.1021/ja982232s.
  5. Cheng, C. -W., Zhou, Y. X., Pan, W. -H., Dey, S. D., Wu, C. -Y., Wong, C. -H. Hierarchical and programmable one-pot synthesis of oligosaccharides. (2018) Nature Communications, 9, 5202. doi: 10.1038/s41467-018-07618-8.

撰稿|蔡京庭
審稿|黃芝琳

About the author

Avatar

蔡京庭

作者畢業於台灣化學系,即將在今年秋季赴美就讀史丹佛化學系博士班。
希望透過本身的化學背景,用淺顯的文字,將生物科學結合生活,讓科學變得不再那麼遙遠,並運用在日常生活中。

留言

  • […]         首波主打由目前就讀史丹佛大學化學系博士班的蔡京庭同學,詳細介紹了醣類合成技術主要具有化學法與酵素法,並比較兩種方法的優缺點。隨著近年電腦科學的進步,自動化程式設計與機器學習技術也被應用在醣類合成領域。而在這裡不得不提到許多台灣正港科學家像是:翁啟惠前院長、洪上程教授、吳宗益老師、許聞廉老師等,都是領導醣科學研究發展的佼佼者,可見台灣的醣科學研究在國際上佔有舉足輕重的地位。 更多請看:https://investigator.tw/8885 […]

Leave a Comment