进入移动版，省流量，体验好能决定血型，成为与病毒对抗的新“武器”，携带的信息量超过蛋白质、核酸和脂肪携带信息量的总和，它就是参与人类生老病死每个过程的生物大分子 ——糖。
糖参与了人的发育及生老病死的每一个生命过程。然而，百年来，糖的研究一度被人冷落，直至新冠病毒引发全球疫情，再度令糖的重要性浮出水面。正如糖生物学创始人、英国政府首席病毒科学家雷蒙德·德威克教授所言：在人类与病毒旷日持久的战争中，一种新的“武器”正在研发使用中，这就是糖生物学。
我国药企正全力推动葡萄糖激活剂类糖尿病新药的临床研发和在中国上市。新华社发
比蛋白质和核酸携带更多信息
糖、蛋白质和核酸是生命活动不可或缺的三类重要生物分子。随着2001年人类基因组全序列完整草图的完成，生命科学进入基因组学及蛋白组学的时代。
然而，仅仅局限于基因及蛋白水平的研究并不能获得足够的生物学信息。糖类作为重要的信息分子，其结构的多样性使它携带的信息量远超蛋白质、核酸与脂肪携带信息量的总和，因此得到了国内外专家的广泛关注。
但受制于糖结构的复杂性和研究方法的局限性，人们对糖的研究与认知远落后于核酸、蛋白质。正如《糖组学手册》主要作者理查德·库明斯所言，“二十世纪的糖生物学家们如同在地狱中开展研究。”
让科学家们又爱又恨的糖，究竟是怎样一种物质？
“按照化学结构，可以把糖类简单分为单糖和聚糖，其中单糖是组成各种糖类分子的基本单元。”石家庄学院化工学院教授马闻师介绍，最常见的单糖是葡萄糖，它是我们身体中最重要的供能物质。
单糖之间可以通过一种特殊的化学键——糖苷键来相互连接，组成分子量较小的寡糖或分子量较大的多糖，它们统称为“聚糖”。
“值得关注的是，科学家发现，几乎所有的细胞表面的蛋白质都具有聚糖修饰，这使得细胞表面实际上覆盖了一层厚厚的聚糖，称为‘糖被’或‘糖萼’。”马闻师介绍，这些聚糖影响了细胞与细胞之间的识别、通信和相互作用。
随着研究的深入，人们也越来越认识到，生命科学的许多问题不只是蛋白质水平上的问题，更是糖蛋白水平上的问题。
“糖类以寡糖、多糖、糖蛋白、糖脂等游离或复合物的形式直接参与细胞的分化、增殖、免疫、衰老、信息传递、迁移等几乎所有生命活动，是生物体能量的来源和物质循环的中心，也是维持细胞形态和构架的重要骨架和支撑单元。”马闻师说，正因如此，一个独立的学科——糖生物学，应运而生。
据介绍，糖生物学这一个名词的提出是在1988年，是糖的化学和生物学研究相结合而产生的一门新兴学科，主要研究糖缀合物糖链的结构、生物合成和生物学功能，其研究领域包括糖化学、糖链生物合成、糖链在复杂生物系统中的功能和糖链操作技术。简单来说，糖生物学研究回答人体的糖链（多糖或聚糖）在细胞的什么地方、怎样形成；从分子水平揭示它的结构、它和什么分子结合并蕴含了怎样的信息；又如何发挥生物学功能等问题。
将糖生物学推向生命科学前沿的重大事件发生于1990年。
那一年，有3家实验室几乎同时发现血管内皮细胞-白血球粘附分子1（ELAM-1），后来改名为E-选择素。这一位于内皮细胞表面的分子能识别白血球表面的四聚糖Sia-Lex。“当组织受到损伤时，白血球和内皮细胞粘附并沿壁滚动，最终穿过血管壁进入受损组织，消灭入侵的异物，过多的白血球则会引起炎症以及继发的病变。”专家介绍。
后来科学家又发现了这一家族中的其他成员：P-选择素和L-选择素。这一发现首次阐明了炎症过程有糖类和相关的糖结合蛋白参与。
“糖生物学研究揭示生命本质所不可缺少的重要方面。”马闻师表示，蛋白质和核酸研究发展很快，但如果人们想要对生命的认识和理解再向前一步，还需要对糖类展开更深入的研究。由于糖的绝大多数功能还是未知的奥秘，探知这些奥秘，能让人类更有信心地与疾病斗争。
多种疾病与糖类物质密切相关
糖链与人类健康息息相关，几乎涉及所有疾病种类。
“生物学家所关注的糖链，主要指与蛋白质、脂类等结合，由葡萄糖、半乳糖等10种单糖分子组合而成的细胞结构物质（链状物），如糖蛋白和糖脂。”专家介绍，糖被发现近200年来，仅人体的糖链种类就超过1000种，自然界中糖链的种类有记载的估计在1万到2万种。
最常见的流感病毒的传染机制，就是通过糖和蛋白的相互作用实现的。
“在几乎所有人体细胞表面的聚糖末端，存在一种特殊的单糖——唾液酸，流感病毒就巧妙地利用了这个特征。”河北医科大学第二医院西院区药学部主任刘焕龙解释，在流感病毒颗粒表面存在一种能够结合唾液酸的H蛋白（又称“血凝素”），它能够帮助流感病毒结合在宿主细胞表面，并最终使得病毒颗粒通过细胞的胞吞作用进入细胞内。
随后，流感病毒会利用细胞的营养供给进行复制，合成大量新的病毒，新的病毒随后离开这个细胞，伺机进攻下一个细胞。这时，流感病毒表面的N蛋白就像一把小剪刀，可以切除宿主细胞表面聚糖末端的唾液酸，帮助流感病毒离开细胞，进而感染新的宿主细胞。
由于流感病毒的H蛋白和N蛋白经常发生变异，给流感的预防和治疗带来很大困难。
刘焕龙举例，甲型流感病毒（甲流）颗粒表面的H蛋白目前共发现15种亚型，分别为H1-H15；而N蛋白共发现9种亚型，即N1-N9。“1997年出现的H5N1甲型流感病毒以及2013年出现的H7N9型禽流感，名称中H和N后面的数字即描述了这两个聚糖相关蛋白变异的亚型。”
他进一步阐述说，某些病原体如HIV、致病酵母等其表面的糖类亦可模拟宿主细胞的糖类结构，从而逃避宿主的免疫监视。
除了与传染性疾病有关，越来越多证据表明，自身免疫疾病的发生发展也与糖链结构紧密相关。“免疫球蛋白的糖基化异常便可通过影响自身的生物学功能，从而导致一些免疫疾病的产生。”刘焕龙说，比如风湿性关节炎就与IgG糖链（人体感染后产生的抗体）的改变有关。
此外，在肿瘤的发生、发展以及转移等生物学行为中，糖链也扮演了重要的角色。肿瘤细胞可通过凝集素与糖类的相互作用影响机体免疫反应，进而介导免疫逃逸。
“现在很多疾病难以攻克，问题都在于糖的作用机制没有完全搞清楚。新冠病毒表面糖蛋白的作用机制仍旧是谜，破解这道难题将为疫苗和药物研发提供更为清晰的路径。与此类似，肿瘤发生机制也还笼罩在迷雾之中，特别是糖在这些过程中起什么作用，从而导致以糖为基础的肿瘤疫苗在研发设计中靶标还不十分清晰。”有专家如是说。
糖结构解析技术正不断革新
可喜的是，以糖链为基础的药物和疫苗正在广泛研发使用中。
刘焕龙说，自从流感病毒表面N蛋白发现以来，科学家就希望通过靶向N蛋白，抑制它的活性来抑制流感病毒离开细胞表面，从而减弱流感病毒的传播。这一方法已经广泛应用到甲型和乙型流感的治疗当中。
世界范围内，基于糖类物质的药物研发日益活跃。
据统计，以六元环的吡喃糖、五元环的呋喃糖、氮杂糖和高碳糖唾液酸等为结构骨架进行药物信息检索，可查到糖类化学药物有150多种，其中已上市药物70种。这些药物被广泛应用于感染性疾病、肿瘤、心脑血管疾病、内分泌和代谢疾病、呼吸系统疾病、皮肤病、神经系统疾病、肌肉骨骼和结缔组织疾病、消化系统疾病、血液系统疾病等领域。
虽然糖类药物开发蓬勃发展，但由于糖化学和糖生物学的研究显著滞后于核酸和蛋白质，糖类药物研发仍是极具挑战性的课题。
“糖类多样的化学结构、立体构型和连接方式使得其能够储存的生物信息比核酸和蛋白质高出几个数量级，但也决定了糖类物质具有高度的复杂性和多样性。”刘焕龙说，直接从天然产物中得到的糖类物质往往结构不均一，且分离纯化和结构鉴定十分困难，极大地限制了糖类纯品的获取和进一步开发。
对此，专家表示，糖的结构测定还有赖于新的测序分析技术的发展。
有专家将糖科学的研究技术总结为四类：生物学手段利用基因编辑技术研究糖的功能；化学手段通过糖链合成验证糖的功能；化学生物学手段利用探针和标记方式研究糖链的功能；质谱手段研究复杂糖链的结构。
除了常规的生物学研究手段外，专家介绍，糖生物学的研究需要针对糖链结构分析的色谱质谱技术、凝集素芯片、糖链芯片技术；针对合成糖链的糖基转移酶结构以及糖复合物如糖蛋白的三维结构解析技术；合成糖链的化学酶法糖工程技术；细胞糖链观察的示踪影像技术手段；还需要建立与糖链信息相关的国际大数据库。
近年来，新的糖基化方法（俞氏糖基化反应）和先进合成策略（预活化一釜合成、“隐蔽-活化”合成、全自动固相合成等）不断涌现，成为推动糖类药物、糖类疫苗、糖类诊断试剂等开发的重要驱动力，在一定程度上解决了糖类药物开发“巧妇难为无米之炊”的困境。
在丰富的研究手段助力之下，专家们对未来多种疾病的治愈充满信心。刘焕龙表示，随着对糖的功能与疾病相关机理基础研究越来越深入，与糖相关的药物、疫苗、诊断试剂等也将快速发展。（河北日报记者王璐丹）
