“最小糖块”激发“最大免疫防线”

 

空肠弯曲杆菌是引发全球腹泻的主要“犯罪团伙”，更是引起五岁以下儿童死亡的第二大因素，其中血清型HS:4是最臭名昭著的“犯罪小分队”。这一团伙对抗生素有极强的耐药性，被世界卫生组织列为高优先级的耐药菌。

想象一下，空肠弯曲杆菌穿着一件带毒刺的“糖衣外套”在人体内搞破坏，引发人体腹泻。科学家发现，只要提前教会免疫系统认清这件“糖衣外套”，就能防住细菌入侵——这就是疫苗的原理。

但问题来了：细菌的糖衣像是一套超复杂的乐高，由几十种糖分子组成，直接提取成本高、杂质多。科学家决定人工仿造糖衣的关键碎片，这种人工仿造即是“化学合成”。

近日，中国海洋大学医药学院、海洋药物教育部重点实验室教授李明团队，闯过化学键直接构建、合成糖链、免疫学测试等三关考验，先后合成了HS:4荚膜二糖、四糖、六糖和八糖片段，搭建出空肠弯曲杆菌糖衣的“微型模型”，并联合香港大学教授李学臣以及香港理工大学教授陈声协同开展免疫原性评价研究，相关成果发表在国际知名学术期刊《科学进展》。研究成果得到了国际评审专家的一致肯定，被评价为该领域“非常高水平的综合工作”，下载量已突破1700次。

李明（左二）与学生在实验室  受访者供图

直接构建最小糖衣单元

研究发现，细菌糖衣上哪怕一个最小的糖纽扣“二糖”也能被免疫系统记住。只要合成这个最小特征糖块，就可以用来制作疫苗。

对于空肠弯曲杆菌来说，这个最小糖纽扣便是一种罕见庚糖——6-脱氧-D-艾杜庚糖。

“合成罕见庚糖太难了！”工作伊始，李明团队就遇到了最棘手的难题。

李明告诉《中国科学报》：“这种罕见庚糖的构建难点在于，它需要与其小伙伴以特定姿势绑在一起，这种姿势很难‘摆’，并且它与小伙伴‘不愿意’结合在一起。”用他们的行话来说，就是要解决直接构建具有热力学不利的单糖之间连接键（1,2-顺式-β-D-艾杜糖苷键）的难题。

细菌的糖衣结构就像密码锁，而艾杜庚糖是破译所需的关键密码。合成这个关键密码，正是该项研究成果的亮点所在，为了实现这一突破，他们用了2年的时间。

2021年，团队在首次合成空肠弯曲杆菌CG8486荚膜六糖时，曾用多步间接策略来构建这个关键密码，相关工作发表《美国化学会志》上。但李明很快意识到，间接合成法的效率过低，所以论文刚被接收，团队就马不停蹄开始筹划直接构建的课题。

团队成员、文章共同第一作者王建军博士介绍道：“目前还没有一种通用的方法可以实现β-艾杜糖糖苷键的直接构建，因为异头位效应与空间位阻效应使这个糖苷键热力学上不稳定。”热力学不稳定会使得某些糖分子像“同极磁铁”，死活不肯结合。于是，团队想到了用化学催化剂当“和事佬”，强行让糖分子成功牵手。

这个“和事佬”便是创新性融合位阻效应控制、远程参与效应调控与异头位SN2取代反应协同策略，成功解决了关键密码的直接构建难题。

这个合成策略的价值不仅限于基础研究领域。李明说：“含β-D-艾杜糖苷结构的天然产物和药物，都可以参考我们的方法进行更高效的合成，或者通过这个方法将D-艾杜糖引入药物中，进行药化研究。”

李明为课题组作报告  受访者供图

搭建细菌糖衣积木

不同于现实生活，在化学合成里，科学家们需要“过河拆桥”。

在攻克第一关时，团队用了一个“巨型安全帽”精准完成关键密码的直接构建。但要继续合成四糖甚至更大的糖，需要拆掉这个保护基——特戊酰基（Piv）保护基，高效地构建糖链。

团队成员李其帅博士介绍道：“‘巨型安全帽’能够以大体积保护糖分子，使其在关键密码构建时不会受到伤害；但是若脱不掉，便无法延长糖链，拼不出更复杂的积木。”

2023年，团队转变思路，在保留“巨型安全帽”大位阻优势的前提下对其进行改造，设计并合成了能够在温和条件下选择性高效脱除的新型保护基，找到了2.0温和版的“巨型安全帽”。

“这个优化过程并不轻松，我们在广泛筛选的基础上进行了大量底物的验证，发现2.0温和版“巨型安全帽”既保留了1.0版控制构型的优势，又可高效脱除。”李明介绍，这一重要的工作为后续全合成扫清了最大障碍。

接着，团队快马加鞭完成了四糖、六糖、八糖的合成工作，转眼胜利在望，却在积木即将完工时遇到了难啃的“硬骨头”——裸露八糖的纯化。

在搭积木时，不仅有需要的零件，还会有多余的零件。同理，化学合成不仅会合成需要的成分，还会合成多余的成分。越复杂的模型，多余的成分越难分离。

如何处理这些成分呢？李明团队通常采用柱层析分离法，让混合物里的不同成分赛跑，按顺序“逮捕”纯净成分。但裸露八糖极性大、拖尾严重，在分离时会像蜗牛爬坡一样分散流出，且掺杂着大量多余的极性物质，无法完全实现分离纯化。

“如果无法获得纯净终产物，将导致整个课题功亏一篑。”李明与团队忧心忡忡。关键时刻灵机一动，团队成员想到“隔壁”课题组有专业的凝胶分离设备，在跨课题组的技术协作下，顺利完成了终产物的分离纯化。

和“傲娇”的糖分子斗智斗勇，团队一路见招拆招，终于搭建出了空肠弯曲杆菌糖衣的“微型模型”。

糖衣疫苗实战测试

2024年，李学臣、陈声团队接过李明的接力棒，将合成糖链带到了免疫学实验室，通过小鼠免疫实验和细胞侵袭实验，着手探究寡糖的免疫原性。

“最让我难忘的瞬间，是收到小鼠免疫数据的那天——四种合成寡糖均成功激发体液免疫应答。大家都非常激动，这证明了我们费尽心思做出的寡糖的确具有实用价值，而非为了合成而合成。”李明笑着回忆。在他看来，跨学科合作正如化学反应中的高效“催化剂”，能显著降低科研创新的活化能，碰撞出新的科研火花，学生也能在多重视野中实现全方位成长。

“这项突破为抗击耐药性空肠弯曲杆菌提供了全新思路，也是空肠弯曲杆菌糖疫苗研究领域的重要进展。”研究成果得到了国际评审专家的一致肯定，被评价为该领域“非常高水平的综合工作”，下载量已突破1700次。

回头看，正是这种“方法学突破-全合成验证-生物功能评价”的三段式推进，让整个研究既有化学创新，又具医学价值。

此外，在李明的统筹安排和细致布局下，团队中的两名研究生王建军、李其帅，从课题伊始的合成单糖原料起步，既培养了实验基本功，还为后续复杂合成积累了原料，在交叉学科中找到了新的研究点和创新点，并分别以第一作者发表了重要成果。

说起课题攻关过程中的遗憾之处，李明坦言，作为合成化学工作者，渴望重现拥有长达三十四复杂结构的天然荚膜多糖，但现阶段研究证实二糖结构已具备疫苗抗原潜力，且向后推进困难重重，“换个角度想，在科学探索中实现理想与现实的辩证统一，恰是合成化学的精妙所在”。

向未来，团队计划结合实验和理论计算，解析β-D-艾杜糖苷键的形成机制，“知其所以然”；同时，在合成其他主要致病型空肠弯曲杆菌的荚膜寡糖的基础上，研发多价疫苗，为免疫系统配置“多重防护网络”。

“我们希望打通从化学合成到免疫评价的全流程，让这些合成糖链真正转化为临床可用的防护盾牌。”李明对研究前景信心满满。

论文相关信息：

https://doi.org/10.1126/sciadv.adu2318

  版权声明：凡本网注明“来源：中国科学报、科学网、科学新闻杂志”的所有作品，网站转载，请在正文上方注明来源和作者，且不得对内容作实质性改动；微信公众号、头条号等新媒体平台，转载请联系授权。邮箱：shouquan@stimes.cn。