俗稱“碳水化合物”的糖質(zhì)，是與核酸（DNA、RNA）、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)一起構(gòu)成生命的四大基本生物大分子，也是地球上已知生物量最高的生物大分子，其重要性不言而喻。然而，由于其太過復(fù)雜、缺乏有效的研究手段，一直以來科學(xué)界連它們有哪些、長(zhǎng)啥樣都不知道，導(dǎo)致糖質(zhì)研究困難重重、嚴(yán)重滯后于蛋白質(zhì)。

如今，深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院/深圳灣實(shí)驗(yàn)室/清華大學(xué)顏寧團(tuán)隊(duì)與合作者另辟蹊徑、利用“酷尋”策略，終于逐步揭開了這一“生命暗物質(zhì)”的神秘面紗。

顏寧近照。深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院供圖。

特別是，在《科學(xué)》雜志發(fā)表的最新成果中，顏寧團(tuán)隊(duì)獲得了最高分辨率達(dá)到0.18納米的天然糖質(zhì)復(fù)合物超高分辨率三維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在原子分辨率的“可視化”研究，打開了糖質(zhì)生物學(xué)研究的“天眼”。

冷凍電鏡分析揭示金藻管狀微絨毛表面存在的大量復(fù)雜糖質(zhì)及其近原子分辨率三維結(jié)構(gòu)。A. 金藻表面的管狀微絨毛。上圖：金藻卡通示意圖，以及其長(zhǎng)鞭毛（橙色粗線）表面覆蓋的微絨毛（淺綠色細(xì)線）。中圖：冷凍電鏡拍攝到的管狀微絨毛的原始照片。下圖：圖像初步處理過的二維分類。B.管狀微絨毛的冷凍電鏡三維重構(gòu)圖。C.根據(jù)冷凍電鏡密度圖搭建的微絨毛結(jié)構(gòu)模型。D.微絨毛表面覆蓋大量復(fù)雜糖質(zhì)（以紅白球示意）。深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院供圖

糖質(zhì)：熟悉而又陌生的“生命暗物質(zhì)”

“你可能經(jīng)常聽見身邊的朋友說‘碳水使我快樂’或者‘少吃碳水’，這都說明糖質(zhì)與我們的生活息息相關(guān)?！鳖亴幵诮邮苡浾卟稍L時(shí)說，“糖質(zhì)不僅給我們提供能量，還在細(xì)胞識(shí)別、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、免疫調(diào)控和結(jié)構(gòu)支撐等多種生理過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用?！?/p>

“糖質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類繁多?！鳖亴幷f，它既包括單糖（葡萄糖、果糖、半乳糖等）、雙糖（蔗糖、乳糖、麥芽糖等）、多糖（淀粉、糖原等）、纖維素等膳食纖維，還包括糖肽分子等與多糖耦合的各種生物大分子?！拔覀兊难芯勘砻?，在自然界中還有許多未被人類發(fā)現(xiàn)甚至想象過的糖質(zhì)，其功能和作用更有許多未解之謎?！?/p>

與蛋白質(zhì)、核酸一樣，對(duì)糖質(zhì)的研究可追溯至19世紀(jì)。但是，迄今為止，人類對(duì)于糖質(zhì)的了解遠(yuǎn)不如核酸和蛋白質(zhì)，稱其為“生命暗物質(zhì)”并不為過。

“研究滯后的根本原因之一是糖質(zhì)研究中存在一個(gè)巨大的瓶頸——科學(xué)家看不清它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?！鳖亴幗忉屨f，“在生命科學(xué)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)決定功能。這里的‘結(jié)構(gòu)’，既包括長(zhǎng)寬高外形這些幾何形式，也包括所用的材料等物理化學(xué)性質(zhì)。就像家里面，不同的結(jié)構(gòu)、材料決定了這個(gè)地方是廚房、那個(gè)地方是衛(wèi)生間一樣，生物大分子的結(jié)構(gòu)不同，所具有的功能和作用也各不相同。”

為什么糖質(zhì)的結(jié)構(gòu)難以解析？

“一是因?yàn)樘琴|(zhì)太過復(fù)雜。它們一般都由多種多樣數(shù)量不明的單糖通過復(fù)雜的糖苷鍵化學(xué)連接，具有高度柔軟靈活的‘身段’，因?yàn)橐恢比狈玫难芯肯到y(tǒng)，所以過去即便用最強(qiáng)大的冷凍電子顯微鏡也很難‘看清’復(fù)雜糖質(zhì)的內(nèi)部構(gòu)造?！鳖亴幐嬖V記者，另一個(gè)重要原因，DNA、RNA、蛋白質(zhì)可以依賴模板生成，從基因組序列就可以直接推測(cè)出它們的組成，但細(xì)胞合成糖質(zhì)沒有模板，導(dǎo)致科學(xué)家很難搞清楚糖質(zhì)的成分。

她進(jìn)一步解釋：通過人類基因組計(jì)劃，人們發(fā)明了高通量測(cè)序技術(shù)，可以很容易獲得某個(gè)研究對(duì)象的DNA、RNA序列，而DNA、RNA的序列又與蛋白質(zhì)序列存在確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系；另一方面，幾十年的研究也基本確立了蛋白質(zhì)序列與其三維結(jié)構(gòu)的相對(duì)準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就是AlphaFold可以預(yù)測(cè)蛋白結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。你給人工智能工具AlphaFold一串氨基酸序列，它就可以預(yù)測(cè)出其中大部分相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也有很多預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確的情況?！暗覀冄芯康奶琴|(zhì)許多是壓根都不知道其存在與否的復(fù)雜生物大分子，像AlphaFold這種人工智能工具連研究對(duì)象都沒有，所以壓根無能為力?！?/p>

顏寧指出，高分辨率結(jié)構(gòu)信息的長(zhǎng)期缺失，在很大程度上阻礙了人類對(duì)糖質(zhì)在多種生理和病理過程中作用機(jī)制的深入理解，導(dǎo)致糖質(zhì)生物學(xué)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于核酸和蛋白質(zhì)。

采用酷尋策略，探索（創(chuàng)建）結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究新范式

自2022年回國(guó)后，此前在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域成績(jī)斐然的顏寧，開始轉(zhuǎn)向自己的第二戰(zhàn)場(chǎng)——糖質(zhì)生物學(xué)。

然而，面對(duì)既不知道其內(nèi)部“長(zhǎng)什么樣”、更不知有多少未知“新物種”的“生命暗物質(zhì)”，如何才能找到突破的入口？

顏寧團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，創(chuàng)造性地提出酷尋（CryoSeek）研究策略——“結(jié)構(gòu)先行”的生物發(fā)現(xiàn)新范式。

顏寧介紹說，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)生物學(xué)長(zhǎng)期遵循“從分子到結(jié)構(gòu)”的經(jīng)典研究范式：先確定某個(gè)已知其功能的目標(biāo)分子，然后解析它的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而深入研究它如何發(fā)揮功能?！拔覀兲岢龅腃ryoSeek研究策略的核心，是把冷凍電鏡這一傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解析工具變?yōu)榘l(fā)現(xiàn)未知生物大分子的‘放大鏡’：不依賴作為先驗(yàn)知識(shí)的序列或功能信息，直接從自然水體、環(huán)境樣品特別是臨床樣本和動(dòng)物組織中提取研究對(duì)象，通過解析高分辨率結(jié)構(gòu)來發(fā)現(xiàn)此前未知的生物大分子，再據(jù)此深入研究它們的生理功能和作用機(jī)制?！?/p>

為此，顏寧團(tuán)隊(duì)與深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院的胡名旭團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了高通量的電鏡圖像處理算法，大幅提升了結(jié)構(gòu)解析效率。然而，隨著CryoSeek策略在多種環(huán)境樣本中的廣泛使用，所解析結(jié)構(gòu)的數(shù)量與復(fù)雜度迅速增加，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與分析方法已難以適應(yīng)高通量發(fā)現(xiàn)的需求。

為推動(dòng)數(shù)據(jù)共享與科研協(xié)作，并使CryoSeek策略真正成為服務(wù)全球生命科學(xué)研究的公共工具，他們又依托深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院運(yùn)行的深圳國(guó)家基因庫(kù)建立了CryoSeek數(shù)據(jù)庫(kù)（cryoseek.org.cn）。

CryoSeek數(shù)據(jù)平臺(tái)首頁(yè)。深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院供圖

據(jù)介紹，CryoSeek數(shù)據(jù)庫(kù)除了具備傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的查閱、檢索、上傳、下載功能外，還將集成全球社區(qū)、實(shí)用工具、教學(xué)訓(xùn)練等多種功能。

“作為CryoSeek從方法創(chuàng)新走向系統(tǒng)化、規(guī)?；c社區(qū)化的重要載體，該數(shù)據(jù)平臺(tái)將為糖結(jié)構(gòu)生物學(xué)及相關(guān)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的前沿發(fā)現(xiàn)提供持續(xù)動(dòng)力。”顏寧表示，期待通過這一開放平臺(tái)，與全球科學(xué)家共同繪制“生命暗物質(zhì)”新世界的航海圖。

從發(fā)現(xiàn)“新物種”到確定“新功能”，復(fù)雜糖質(zhì)的“廬山真面目”日漸清晰

采用“酷尋”策略，顏寧團(tuán)隊(duì)小試牛刀，于2024年、2025年在《美國(guó)科學(xué)院院刊》相繼發(fā)表論文，報(bào)道了在清華大學(xué)荷塘的水樣中發(fā)現(xiàn)的全新蛋白絲和第一次被揭開面紗的糖纖維TLP-4。

今年4月20日，顏寧團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》子刊《細(xì)胞—化學(xué)生物學(xué)》發(fā)表的論文中，又報(bào)道了來自同一荷塘水樣中另外5 種新型糖纖維——TLP-0、TLP-2、TLP-3、TLP-4b、TLP-IPT，解析出的結(jié)構(gòu)分辨率在 0.3納米左右，構(gòu)建了糖纖維從“蛋白質(zhì)為主”到“無蛋白純糖”的連續(xù)結(jié)構(gòu)譜系。純糖纖維TLP-0的發(fā)現(xiàn)尤其令人激動(dòng)，“這表明，糖類本身就具備形成復(fù)雜、有序的高階結(jié)構(gòu)的能力，顛覆了‘蛋白質(zhì)是生物結(jié)構(gòu)主要載體’的傳統(tǒng)認(rèn)知，為糖生物學(xué)（Glycobiology）開辟了新的研究方向。”顏寧說。

今年4月24日，發(fā)表在《科學(xué)》上的最新研究進(jìn)展中，顏寧團(tuán)隊(duì)以年輕的博士生黃雋豪為主力、與清華大學(xué)閆創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)合作，取得了更令人振奮的成果：獲得了整體糖質(zhì)分辨率約0.2納米（一根頭發(fā)絲的40萬分之一）、核心局部最高達(dá) 0.18納米的超高分辨率三維電鏡密度圖，不僅清晰實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然糖質(zhì)從化學(xué)組成到空間構(gòu)象的直接觀測(cè)，提出了“糖質(zhì)縫合”、“糖質(zhì)橋”和“糖質(zhì)島”等系列新型糖質(zhì)組裝元件，發(fā)現(xiàn)了諸多在糖環(huán)上的修飾并闡明這些修飾與水分子、金屬離子協(xié)同幫助糖質(zhì)折疊的基礎(chǔ)。

在《科學(xué)》發(fā)表的論文截圖。深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院供圖

顏寧告訴記者：“在這項(xiàng)研究中，我們系統(tǒng)揭示了糖質(zhì)在生物大分子高級(jí)組裝中的結(jié)構(gòu)性作用，為復(fù)雜糖質(zhì)及其高級(jí)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)、鑒定、計(jì)算化學(xué)、工程化利用提供了新的方法學(xué)框架，標(biāo)志著糖質(zhì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)正進(jìn)入原子分辨率解析的新階段?！?/p>

與此同時(shí)，由顏寧實(shí)驗(yàn)室博士后陳晟開發(fā)的AI自動(dòng)建模工具EModelG，把糖質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的效率從傳統(tǒng)手動(dòng)建模的幾星期提升到自動(dòng)建模的半小時(shí)。這一工具推動(dòng)冷凍電鏡糖質(zhì)結(jié)構(gòu)建模從高度依賴人工經(jīng)驗(yàn)向自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化和高通量方向發(fā)展，為天然糖質(zhì)的大規(guī)模結(jié)構(gòu)研究提供了方法學(xué)支撐，并降低了復(fù)雜的專業(yè)門檻，可以令不同學(xué)術(shù)背景的更多研究者有效參與進(jìn)來。

協(xié)同創(chuàng)新，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用開發(fā)的跨越

值得一提的是，在該論文于國(guó)際期刊正式發(fā)表之前，顏寧團(tuán)隊(duì)提前幾個(gè)月將成果公開發(fā)布在由深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院聯(lián)合深圳灣實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)、西湖大學(xué)建設(shè)的 “浪淘沙”預(yù)印本平臺(tái)（Langtaosha.org.cn），第一時(shí)間與國(guó)內(nèi)外同行分享研究的核心發(fā)現(xiàn)、技術(shù)方法與原始數(shù)據(jù)，以加快推進(jìn)相關(guān)研究。

“浪淘沙”預(yù)印本平臺(tái)網(wǎng)頁(yè)。深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院供圖

一花獨(dú)放不是春，百花齊放春滿園。顏寧表示，與核酸、蛋白質(zhì)相比，糖質(zhì)生物學(xué)的研究還是“萬里長(zhǎng)征第一步”，前面是更為廣闊的星辰大海，需要國(guó)內(nèi)外同行攜手努力。

基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)將指引應(yīng)用前沿。據(jù)悉，顏寧正在與國(guó)內(nèi)相關(guān)團(tuán)隊(duì)合作，探討多種潛在的開發(fā)圖景：找到合成這些糖質(zhì)的新型生物酶，把這些生物酶變?yōu)橛杏玫墓ぞ呙?，助推合成生物學(xué)研究和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；開發(fā)分子仿生學(xué)新方法，探索新型高分子材料的設(shè)計(jì)、合成與應(yīng)用；通過生物學(xué)手段探索更加高效的固碳新路徑，助力環(huán)境治理……

“我們希望能夠早日解開糖質(zhì)的折疊密碼?！闭雇磥?，顏寧說，“期待有一天能像研究蛋白質(zhì)那樣揭示糖質(zhì)序列與結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并據(jù)此設(shè)計(jì)具有各種功能的復(fù)雜多糖，深化對(duì)生命的理解，并開辟新藥研發(fā)等產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的新賽道。”