人工合成聚糖催化剂：开启化学与生物催化新征程

为探索聚糖的催化功能，马克斯?普朗克胶体与界面研究所的研究人员设计合成了聚糖折叠体，发现其可催化 Pictet–Spengler 反应，为化学和化学生物学研究提供新方向。

　　聚糖，这一生物体内广泛存在的生物大分子，长久以来都被认为主要承担着诸如能量储存、结构支撑等较为 “传统” 的角色。然而，在生物催化的奇妙世界里，蛋白质和核酶（ribozymes）一直占据着主导地位，它们凭借独特的结构和功能，高效地催化着各类生化反应。受这些天然催化体系的启发，科学家们积极探索，尝试设计出基于肽的催化剂，用于加速化学反应，并实现区域和立体选择性转化。但在这个过程中，一个有趣的问题浮现出来：既然蛋白质和肽可以作为催化剂，那么其他生物分子，比如聚糖（glycans），是否也能被设计成具有催化功能的物质，从而拓展合成功能寡聚体的种类呢？

为了揭开这个谜团，来自马克斯?普朗克胶体与界面研究所的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在《Nature Chemistry》期刊上，为我们展现了聚糖在催化领域的巨大潜力。

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。在合成方面，他们利用自制的合成器制备寡糖。对于结构和相互作用的研究，核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）技术发挥了重要作用，通过 1H NMR、COSY、HSQC 等多种 NMR 实验对分子进行分析。同时，分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟辅助验证分子的构象和相互作用。

研究结果

1. 聚糖催化剂的设计

自然界中，聚糖与底物的结合方式多种多样，研究人员注意到在蛋白质的碳水化合物结合域中，芳香基团丰富，碳水化合物与芳香基团之间可通过 CH–π 相互作用实现结合。基于此，他们以天然存在的唾液酸化路易斯 X 抗原（Sialyl Lewis X）为蓝本设计聚糖催化剂。将 Sialyl Lewis X 中的 Neu5Ac 单元替换为 β - 连接的 Gal 单元，以形成 CH–π 相互作用并招募芳香底物；对 Gal、Fuc 和 GlcNAc 等单元进行一系列修改，优化聚糖结构，使其更适合催化。

2. 利用 CH–π 相互作用招募芳香底物

研究人员通过自动聚糖组装（Automated Glycan Assembly，AGA）制备了初始目标聚糖框架 4mer - I 。利用多种 NMR 实验对其进行分析，NOESY 分析和 MD 模拟证实了其刚性构象以及 Gal 臂的正确取向。以 Trp 为模型底物进行 CH–π 相互作用分析，实验发现 4mer - I 与 Trp 孵育后，Gal 单元出现化学位移变化，表明二者存在 CH–π 相互作用。合成 5mer 进一步验证，5mer 中 Gal 的 α - 面被 Glc 阻碍，与 Trp 的 CH–π 相互作用减弱，证明 4mer - I 可通过 Gal 单元的 CH–π 相互作用识别芳香底物。

3. 插入反应性功能基团

为使聚糖折叠体具备催化能力，研究人员在 Rha C - 4 的赤道羟基上引入能够实现 Br?nsted 酸型催化的基团。设计并合成了携带磷酸基团的 4mer - II 、硫酸化的 4mer - III 和携带羧酸基团的 4mer - IV 。NOESY 或 ROESY 分析以及 MD 模拟表明，这些功能修饰未破坏聚糖主链的构象完整性，且部分修饰使聚糖构象更刚性。研究还发现，4mer - II 和 4mer - III 的 CH–π 相互作用因酸基团的位阻和聚糖支架的刚性增加而减弱，4mer - IV 则因额外的亚甲基提供了更多灵活性，其 CH–π 相互作用水平与 4mer - I 相近。

4. 聚糖折叠体催化 Pictet–Spengler 反应

研究人员测试了携带 Br?nsted 酸功能基团的聚糖折叠体在 Pictet–Spengler 反应中的催化性能。该反应是构建不对称生物碱框架的常用方法，在有机介质和水相中均有研究。实验发现，在 D2O 中，无催化剂或使用 4mer - II、4mer - III 作催化剂时，Trp 与丙醛的反应转化率极低；而使用 4mer - IV 作催化剂时，可得到目标产物，延长反应时间和增加醛的用量能提高产率。制备缺乏配位 Gal 单元的 3mer 和以 Glc 臂替代 Gal 单元的 4mer - V 作对照，结果表明，3mer 催化反应转化率明显低于 4mer - IV ，4mer - V 催化反应产率介于两者之间，证实了 CH–π 相互作用在定位底物靠近催化位点的关键作用。对 4mer - IV 催化反应条件进行优化，可实现 84% 的转化率和 75% 的产率。此外，4mer - IV 还可用于修饰含 Trp 肽的 N - 端，且在水和缓冲液中均能成功反应，动力学比醋酸（AcOH）催化的对照实验更快，显示出在化学生物学中选择性修饰蛋白质中 Trp 的潜力。

研究结论与意义

研究人员成功设计出一种能够催化 Pictet–Spengler 反应的聚糖折叠体。该聚糖折叠体基于 Sialyl Lewis X 设计，包含可与芳香底物发生碳水化合物 - 芳香相互作用的 Gal 单元和具有催化功能的羧酸基团。实验证明，这种聚糖可通过 Gal 单元的碳水化合物 - 芳香相互作用识别 Trp 底物，加速水相中 Trp 与醛底物的 Pictet–Spengler 反应。这一研究成果表明，聚糖可以被设计用于执行催化功能，为化学和化学生物学研究提供了新的方向。聚糖折叠体作为水溶性和模块化的催化剂，在有机转化中具有潜在应用价值。此外，该研究还引发了人们对聚糖在自然环境中是否具有催化作用的思考，为糖科学研究开辟了新的视角。未来，随着聚糖合成技术的改进和相关机制研究的深入，有望设计出更多新型聚糖催化剂，推动相关领域的发展。