糖不仅对细胞的正常生理过程至关重要，而且在细胞的病理过程中也扮演着非常重要的角色。 细菌和病毒甚至可以通过识别它们来感染宿主。 尽管糖生物学仍然有很多难以解决的问题，但近年来，多种学科的研究人员对糖生物学产生了浓厚的兴趣。 先进的研究方法之一正是生物正交化学，生物正交化学可以用于追踪聚糖（即与蛋白质和肽相连的碳水化合物结构）在细胞或生物体内的合成、代谢及运输途径（如图 1）。
最近，Carolyn Bertozzi 的研究团队利用生物正交化学发现了令人惊叹的新生物分子——glycoRNA（Carolyn Bertozzi 的研究团队多年来一直处于生物正交化学领域的研究前沿）。 本文将深入探讨生物正交化学及其应用，特别是对于它如何助力推动糖生物学领域向前发展，以及生物正交化学的未来机遇。
什么是生物正交化学？
生物正交化学 (Bioorthogonal chemistry) 这个术语是由 Bertozzi 的研究小组创造的，该研究小组多年来一直引领生物正交化学领域。 生物正交化学是在生物环境中发生的一组对生物分子影响微小，或对生化过程干扰微小的反应。 生物正交化学过程符合生物系统中发生反应所需的严格标准：
- 反应必须能够在生理环境的温度和pH值下进行。
- 反应必须有选择性地提供高产率的产物，并且不受复杂生物环境中的水或内源性亲核试剂、亲电试剂、还原剂或氧化剂的影响。
- 即使在低浓度下，反应也必须迅速，并且能够形成稳定的反应产物。
- 反应应涉及生物系统中天然情况下不存在的官能团。
生物正交化学有什么用途呢？
利用 CAS 内容合集TM，我们分析了 2010 年至 2020 年间生物正交化学应用的出版物趋势（如图 2）。 活体成像是 2010 年至 2020 年间生物正交化学应用最多的领域，其次是药物开发和药物递送。
（*因为 2010 年是“生物正交化学”相关文献数量较前一年显著增加的第一年，所以我们选择 2010 年作为分析的起始年。 约 90% 包含关键词 "bioorthogonal" 或 "bio-orthogonal" 的文献都是在 2010 年之后出版的。）
进一步分析发现，蛋白质生物正交化学相关的出版物数量最多，可能是因为该领域的研究方法最为成熟，而其他领域也在稳步增长，包括相对较新的聚糖领域（如图 3）。
图 3. 2010 至 2020 年间 CAS 内容合集中生物正交化学及其特定用途的相关文献量。 图中呈现了同一时期生物正交化学的年度出版量。
在聚糖成像上的应用
生物正交化学已被证明是了解聚糖结构、定位和生物功能的重要实验方法。 聚糖是附着在细胞壁上多肽、蛋白质和脂类上的寡糖，可以用于选择性地观察细胞类型。 糖代谢前体包括许多用于生物正交反应的化合物，如叠氮化物、末端炔烃和高张力炔烃 (strained alkynes)。 可借助适当的生物正交搭档化合物来观察聚糖，例如，叠氮化物可以与含膦酯或硫酯的化合物进行 Staudinger 反应或无痕 Staudinger 连接反应、末端炔烃或高张力炔烃则可以分别参与 CuAAC 或 SPAAC 反应。
生物正交化学推动糖生物学向前发展
目前，RNA 还不是糖基化的主要目标；然而，一项最近的重大发现却是使用代谢标记和生物正交化学发现了 “glycoRNA”。 通过一系列化学和生化方法，Ryan A. Flynn 博士带领的 Bertozzi 实验室的一个研究小组发现，保守的小非编码RNA带有唾液化聚糖，并且这些 glycoRNAs（带有唾液化聚糖的 RNA）存在于多种细胞类型和哺乳动物物种的人工培养细胞内和体内。
这一发现使用的策略是使用可发生点击化学反应的叠氮基团修饰的前体糖对细胞或动物进行代谢标记。 叠氮糖能够与生物素探针发生生物正交反应，以在细胞纳入聚糖后对聚糖进行富集、鉴定和观察。 使用叠氮标记的唾液酸前体，过乙酰化的 N-叠氮基乙酰甘露糖胺 (Ac4ManNAz)，发现叠氮化物的反应性存在于从标记细胞中高度纯化得到的 RNA 制备物中。 GlycoRNA 组装取决于规范的 N-聚糖生物合成机制，并产生富含唾液酸和岩藻糖的结构。 对活细胞的进一步分析表明，大多数 glycoRNA 存在于细胞表面，并且可以与抗 dsRNA 抗体和 Siglec 受体家族的成员相互作用。 我们有必要更深入地研究 glycoRNA 的作用。
借助生物正交化学，在 RNA 生物学和糖生物学之间建立了直接的连接界面，同时目前还有许多其他的发现有待探索。
生物正交化学在未来有哪些机遇?
生物正交化学在科学和医学领域有着广泛的应用，近年来已显著地推进了这些领域的研究进展。 除了通过 glycoRNAs 的发现推动了糖基化领域的发展以外，生物正交化学在药物递送领域也显示出了良好的应用前景，而且在药物靶向方面的应用范围在未来很可能会进一步扩大。 例如：
- 药物制剂的原位合成：生物正交化学可能会有助于用较小的前体来组装药物。在需要的时间创造药物，药物就会更有效、毒性更低；药物干预的范围也可以扩大。 在需要的时间创造药物，药物就会更有效、毒性更低；药物干预的范围也可以扩大。
- 聚糖标记：科学家已使用叶酸配体生成了含有叠氮化物标记的半乳糖胺的脂质纳米粒。 由于肿瘤组织中叶酸受体的增加，LNP 发生内化，随后载体释放到肿瘤细胞中。 当肿瘤细胞暴露于人类血清中时，肿瘤膜纳入叠氮修饰的双苯环辛烷，触发免疫反应。
- 点击释放：该方法是利用生物正交化学控制药物释放的时机和位置，产生对靶细胞有选择性毒性的药物。
随着科学家们对反应的不断开发和细化，生物正交化学将成为进一步深入研究的重要工具。
有关生物正交化学及其广泛应用的更多详细信息，请参阅我们在 Bioconjugate Chemistry 和相关 CAS 洞察报告中的文章。
