糖类不仅对细胞的正常生理过程至关重要，在病理过程中也发挥着核心作用。细菌和病毒甚至能识别糖类以感染宿主。尽管糖类仍是一个难以捉摸的研究课题，但近年来，来自不同学科的研究人员对糖生物学领域产生了浓厚兴趣。生物正交化学正是这样一种工具，可用于对聚糖（即附着在蛋白质和肽上的碳水化合物结构）进行成像（图 1）。
最近，Carolyn Bertozzi 研究小组利用生物正交化学取得了惊人的发现——一种名为 glycoRNA 的新型生物分子，这为生物正交化学领域的研究开辟了先河。Bertozzi 研究小组多年来一直致力于生物正交化学的研究。在此，我们将深入探讨生物正交化学及其应用，特别是它如何推动糖生物学领域的发展，以及未来面临的机遇。
图 1：聚糖附着在细胞表面受体的胞外结构域上。聚糖与细胞表面受体的胞外结构域相连。什么是生物正交化学？“生物正交化学”这一术语由 Bertozzi 研究小组提出，该小组多年来一直处于该领域的前沿。生物正交化学是一系列能够在生物环境中发生，且对生物分子影响极小或不干扰生化过程的反应。生物正交化学过程符合在生物系统中进行反应所需的严格标准：
反应必须在生理环境的温度和 pH 值下进行。反应必须具有选择性且产率高，且不受复杂生物环境中存在的水、内源性亲核试剂、亲电试剂、还原剂或氧化剂的影响。反应必须快速，即使在低浓度下也能形成稳定的反应产物。反应应涉及生物系统中天然不存在的官能团。生物正交化学的用途是什么？CAS 内容合集TM 使我们能够分析 2010 年至 2020 年间生物正交化学应用领域的出版趋势（图 2）。成像技术是 2010 年至 2020 年间生物正交化学最重要的应用，其次是药物开发和递送。
2010 年至 2020 年生物正交化学出版物数量。图 2：2010 年至 2020 年生物正交化学出版物数量。* 插图显示了生物正交化学出版物的总量，以供对比。
（*选择 2010 年作为初始参考点，是因为该年包含“生物正交化学”的文献数量相对于前一年有了显著增长。自 2010 年以来，包含“生物正交”一词的文献总数中约有 90% 是在此之后发表的。）
此外，蛋白质生物正交化学领域的出版物数量最多，这很可能是因为这些方法最为成熟；同时，包括聚糖在内的其他领域（图 3）也在稳步增长。
2010 年至 2020 年间 CAS 内容合集中与生物正交化学及其特定用途相关的文献。图 3：2010 年至 2020 年间 CAS 内容合集中关于生物正交化学及其特定用途的文献。插图显示了同期生物正交化学的年度出版物数量。聚糖成像：生物正交化学已成为理解聚糖结构、定位和生物学功能的关键工具。聚糖是附着在肽、蛋白质和脂质上的寡糖，常见于细胞壁中，可用于选择性地可视化细胞类型。聚糖代谢前体包含许多生物正交官能团，包括叠氮化物、末端炔烃和张力炔烃。聚糖可以使用相应的生物正交配体进行可视化，例如，通过 Staudinger 或无痕 Staudinger 连接反应，利用含膦酯或硫酯检测叠氮化物；通过 CuAAC 或 SPAAC 分别识别末端炔烃或张力炔烃。
生物正交化学推动糖生物学发展：在此之前，RNA 并非糖基化的主要目标；然而，最近利用代谢标记和生物正交化学取得的一项重大发现是“glycoRNA”的发现。Ryan A. Flynn 博士领导 Bertozzi 研究小组，通过一系列化学和生化方法发现，保守的小型非编码 RNA 带有唾液酸化聚糖，并且这些糖脂存在于培养细胞和体内多种细胞类型及哺乳动物物种中。
用于这一发现的策略是对细胞或动物进行代谢标记，使用功能化有可点击叠氮基团的前体糖。叠氮糖在整合到细胞聚糖中后，能够与生物素探针进行生物正交反应，从而实现富集、鉴定和可视化。使用唾液酸的叠氮标记前体——全乙酰化 N-叠氮乙酰甘露糖胺 (Ac4ManNAz)，来自标记细胞的高度纯化 RNA 制剂表现出叠氮反应性。glycoRNA 的组装依赖于经典的 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显示，大多数 glycoRNA 存在于细胞表面，在那里它们与抗 dsRNA 抗体及 Siglec 受体家族成员相互作用。未来有必要进一步研究 glycoRNA 的作用。
在生物正交化学的帮助下，RNA 生物学与糖生物学之间建立了直接联系，目前还有许多其他发现有待探索。
生物正交化学的未来蕴含哪些机遇？生物正交化学在科学和医学领域有着广泛的应用，近年来已显著推动了相关研究的进展。除了通过发现 glycoRNA 推动糖基化领域的发展外，它在药物递送和药物靶向方面也展现出广阔的应用前景，未来其用途有望进一步扩大。一些例子包括：
药物的原位合成：生物正交化学有助于从较小的前体组装药物。通过按需制造药物，可以提高药物疗效并降低毒性；药理干预的范围也可以得到扩展。聚糖标记：利用叶酸配体生成了含有叠氮标记半乳糖胺的脂质纳米颗粒。由于肿瘤组织中叶酸受体增加，脂质纳米颗粒得以被内化，随后将载荷释放到肿瘤细胞中。肿瘤膜整合了叠氮功能化的二苯并环辛炔，当肿瘤细胞暴露于人血清时会触发免疫反应。点击释放：该方法利用生物正交化学来控制药物释放的时间和位置，从而使药物对靶细胞具有选择性毒性。随着反应的持续开发和完善，生物正交化学将成为进一步研究的重要工具。
请参阅我们在《生物偶联化学》(Bioconjugate Chemistry) 上发表的文章及相关的 CAS 洞察报告，以了解有关生物正交化学及其广泛应用的更多详情。
