空腸彎曲桿菌是引發(fā)全球腹瀉的主要“犯罪團(tuán)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(duì)”。這一團(tuán)伙對(duì)抗生素有極強(qiáng)的耐藥性，被世界衛(wèi)生組織列為高優(yōu)先級(jí)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(nèi)搞破壞，引發(fā)人體腹瀉?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，只要提前教會(huì)免疫系統(tǒng)認(rèn)清這件“糖衣外套”，就能防住細(xì)菌入侵——這就是疫苗的原理。
但問(wèn)題來(lái)了：細(xì)菌的糖衣像是一套超復(fù)雜的樂(lè)高，由幾十種糖分子組成，直接提取成本高、雜質(zhì)多?？茖W(xué)家決定人工仿造糖衣的關(guān)鍵碎片，這種人工仿造即是“化學(xué)合成”。
近日，中國(guó)海洋大學(xué)醫(yī)藥學(xué)院、海洋藥物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授李明團(tuán)隊(duì)，闖過(guò)化學(xué)鍵直接構(gòu)建、合成糖鏈、免疫學(xué)測(cè)試等三關(guān)考驗(yàn)，先后合成了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(xué)教授李學(xué)臣以及香港理工大學(xué)教授陳聲協(xié)同開(kāi)展免疫原性評(píng)價(jià)研究，相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》。研究成果得到了國(guó)際評(píng)審專(zhuān)家的一致肯定，被評(píng)價(jià)為該領(lǐng)域“非常高水平的綜合工作”，下載量已突破1700次。
李明（左二）與學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室 受訪者供圖
直接構(gòu)建最小糖衣單元
研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌糖衣上哪怕一個(gè)最小的糖紐扣“二糖”也能被免疫系統(tǒng)記住。只要合成這個(gè)最小特征糖塊，就可以用來(lái)制作疫苗。
對(duì)于空腸彎曲桿菌來(lái)說(shuō)，這個(gè)最小糖紐扣便是一種罕見(jiàn)庚糖——6-脫氧-D-艾杜庚糖。
“合成罕見(jiàn)庚糖太難了！”工作伊始，李明團(tuán)隊(duì)就遇到了最棘手的難題。
李明告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“這種罕見(jiàn)庚糖的構(gòu)建難點(diǎn)在于，它需要與其小伙伴以特定姿勢(shì)綁在一起，這種姿勢(shì)很難‘?dāng)[’，并且它與小伙伴‘不愿意’結(jié)合在一起?！庇盟麄兊男性?huà)來(lái)說(shuō)，就是要解決直接構(gòu)建具有熱力學(xué)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(xì)菌的糖衣結(jié)構(gòu)就像密碼鎖，而艾杜庚糖是破譯所需的關(guān)鍵密碼。合成這個(gè)關(guān)鍵密碼，正是該項(xiàng)研究成果的亮點(diǎn)所在，為了實(shí)現(xiàn)這一突破，他們用了2年的時(shí)間。
2021年，團(tuán)隊(duì)在首次合成空腸彎曲桿菌CG8486莢膜六糖時(shí)，曾用多步間接策略來(lái)構(gòu)建這個(gè)關(guān)鍵密碼，相關(guān)工作發(fā)表《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上。但李明很快意識(shí)到，間接合成法的效率過(guò)低，所以論文剛被接收，團(tuán)隊(duì)就馬不停蹄開(kāi)始籌劃直接構(gòu)建的課題。
團(tuán)隊(duì)成員、文章共同第一作者王建軍博士介紹道：“目前還沒(méi)有一種通用的方法可以實(shí)現(xiàn)β-艾杜糖糖苷鍵的直接構(gòu)建，因?yàn)楫愵^位效應(yīng)與空間位阻效應(yīng)使這個(gè)糖苷鍵熱力學(xué)上不穩(wěn)定?！睙崃W(xué)不穩(wěn)定會(huì)使得某些糖分子像“同極磁鐵”，死活不肯結(jié)合。于是，團(tuán)隊(duì)想到了用化學(xué)催化劑當(dāng)“和事佬”，強(qiáng)行讓糖分子成功牽手。
這個(gè)“和事佬”便是創(chuàng)新性融合位阻效應(yīng)控制、遠(yuǎn)程參與效應(yīng)調(diào)控與異頭位SN2取代反應(yīng)協(xié)同策略，成功解決了關(guān)鍵密碼的直接構(gòu)建難題。
這個(gè)合成策略的價(jià)值不僅限于基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。李明說(shuō)：“含β-D-艾杜糖苷結(jié)構(gòu)的天然產(chǎn)物和藥物，都可以參考我們的方法進(jìn)行更高效的合成，或者通過(guò)這個(gè)方法將D-艾杜糖引入藥物中，進(jìn)行藥化研究?！?span style="display:none">V69即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
李明為課題組作報(bào)告 受訪者供圖
搭建細(xì)菌糖衣積木
不同于現(xiàn)實(shí)生活，在化學(xué)合成里，科學(xué)家們需要“過(guò)河拆橋”。
在攻克第一關(guān)時(shí)，團(tuán)隊(duì)用了一個(gè)“巨型安全帽”精準(zhǔn)完成關(guān)鍵密碼的直接構(gòu)建。但要繼續(xù)合成四糖甚至更大的糖，需要拆掉這個(gè)保護(hù)基——特戊酰基（Piv）保護(hù)基，高效地構(gòu)建糖鏈。
團(tuán)隊(duì)成員李其帥博士介紹道：“‘巨型安全帽’能夠以大體積保護(hù)糖分子，使其在關(guān)鍵密碼構(gòu)建時(shí)不會(huì)受到傷害；但是若脫不掉，便無(wú)法延長(zhǎng)糖鏈，拼不出更復(fù)雜的積木?！?span style="display:none">V69即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
2023年，團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)變思路，在保留“巨型安全帽”大位阻優(yōu)勢(shì)的前提下對(duì)其進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)并合成了能夠在溫和條件下選擇性高效脫除的新型保護(hù)基，找到了2.0溫和版的“巨型安全帽”。
“這個(gè)優(yōu)化過(guò)程并不輕松，我們?cè)趶V泛篩選的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量底物的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)2.0溫和版“巨型安全帽”既保留了1.0版控制構(gòu)型的優(yōu)勢(shì)，又可高效脫除?！崩蠲鹘榻B，這一重要的工作為后續(xù)全合成掃清了最大障礙。
接著，團(tuán)隊(duì)快馬加鞭完成了四糖、六糖、八糖的合成工作，轉(zhuǎn)眼勝利在望，卻在積木即將完工時(shí)遇到了難啃的“硬骨頭”——裸露八糖的純化。
在搭積木時(shí)，不僅有需要的零件，還會(huì)有多余的零件。同理，化學(xué)合成不僅會(huì)合成需要的成分，還會(huì)合成多余的成分。越復(fù)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(tuán)隊(duì)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(yán)重，在分離時(shí)會(huì)像蝸牛爬坡一樣分散流出，且摻雜著大量多余的極性物質(zhì)，無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)分離純化。
“如果無(wú)法獲得純凈終產(chǎn)物，將導(dǎo)致整個(gè)課題功虧一簣。”李明與團(tuán)隊(duì)?wèi)n心忡忡。關(guān)鍵時(shí)刻靈機(jī)一動(dòng)，團(tuán)隊(duì)成員想到“隔壁”課題組有專(zhuān)業(yè)的凝膠分離設(shè)備，在跨課題組的技術(shù)協(xié)作下，順利完成了終產(chǎn)物的分離純化。
和“傲嬌”的糖分子斗智斗勇，團(tuán)隊(duì)一路見(jiàn)招拆招，終于搭建出了空腸彎曲桿菌糖衣的“微型模型”。
糖衣疫苗實(shí)戰(zhàn)測(cè)試
2024年，李學(xué)臣、陳聲團(tuán)隊(duì)接過(guò)李明的接力棒，將合成糖鏈帶到了免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)小鼠免疫實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞侵襲實(shí)驗(yàn)，著手探究寡糖的免疫原性。
“最讓我難忘的瞬間，是收到小鼠免疫數(shù)據(jù)的那天——四種合成寡糖均成功激發(fā)體液免疫應(yīng)答。大家都非常激動(dòng)，這證明了我們費(fèi)盡心思做出的寡糖的確具有實(shí)用價(jià)值，而非為了合成而合成?！崩蠲餍χ貞?。在他看來(lái)，跨學(xué)科合作正如化學(xué)反應(yīng)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(xué)生也能在多重視野中實(shí)現(xiàn)全方位成長(zhǎng)。
“這項(xiàng)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(lǐng)域的重要進(jìn)展。”研究成果得到了國(guó)際評(píng)審專(zhuān)家的一致肯定，被評(píng)價(jià)為該領(lǐng)域“非常高水平的綜合工作”，下載量已突破1700次。
回頭看，正是這種“方法學(xué)突破-全合成驗(yàn)證-生物功能評(píng)價(jià)”的三段式推進(jìn)，讓整個(gè)研究既有化學(xué)創(chuàng)新，又具醫(yī)學(xué)價(jià)值。
此外，在李明的統(tǒng)籌安排和細(xì)致布局下，團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)基本功，還為后續(xù)復(fù)雜合成積累了原料，在交叉學(xué)科中找到了新的研究點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，并分別以第一作者發(fā)表了重要成果。
說(shuō)起課題攻關(guān)過(guò)程中的遺憾之處，李明坦言，作為合成化學(xué)工作者，渴望重現(xiàn)擁有長(zhǎng)達(dá)三十四復(fù)雜結(jié)構(gòu)的天然莢膜多糖，但現(xiàn)階段研究證實(shí)二糖結(jié)構(gòu)已具備疫苗抗原潛力，且向后推進(jìn)困難重重，“換個(gè)角度想，在科學(xué)探索中實(shí)現(xiàn)理想與現(xiàn)實(shí)的辯證統(tǒng)一，恰是合成化學(xué)的精妙所在”。
向未來(lái)，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，解析β-D-艾杜糖苷鍵的形成機(jī)制，“知其所以然”；同時(shí)，在合成其他主要致病型空腸彎曲桿菌的莢膜寡糖的基礎(chǔ)上，研發(fā)多價(jià)疫苗，為免疫系統(tǒng)配置“多重防護(hù)網(wǎng)絡(luò)”。
“我們希望打通從化學(xué)合成到免疫評(píng)價(jià)的全流程，讓這些合成糖鏈真正轉(zhuǎn)化為臨床可用的防護(hù)盾牌?！崩蠲鲗?duì)研究前景信心滿(mǎn)滿(mǎn)。
論文相關(guān)信息：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adu2318
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