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揭開醣的神秘面紗

109/06/12 瀏覽次數 929
什麼是「醣」?
 
「醣」是由碳、氫、氧三種元素組成,多數醣類的氫、氧比例與水相同,因此被稱為碳水化合物。醣類依照單醣分子的數量,可分為單醣、雙醣、寡醣和多醣四種。
 
單醣由單一單醣分子構成,多存在於水果中,例如葡萄糖、果糖;雙醣是由兩個單醣分子構成,例如麥芽糖、乳糖,其中乳糖多出現在奶類裡;寡醣是由3至10個單醣分子構成,像是果寡糖;多醣則是由 10個以上單醣分子構成,如澱粉、纖維素,而常見的多醣食物像是含有澱粉的米飯、吐司,以及含有纖維素的蔬菜。由於單醣與雙醣的分子結構比較簡單,稱為「簡單醣類」,也就是我們常說的「糖」;而寡糖和多醣的分子結構較為複雜,稱為「複雜醣類」。
 
這麼多不同種的醣類其實是生物的能量來源,不論在大腦或是器官,只要透過分解,醣類就可以轉換成人體能吸收的葡萄糖,並且提供細胞能量,維持我們身體機能的正常運作。
 
「醣類」與「血型」之間的秘密
 
食物中的醣類除了能轉換成生物能量來源,科學家發現人體裡的醣也具有其他功能:決定我們的「血型」。20世紀初,奧地利免疫學家蘭茨泰納(Karl Landsteiner)發現並確定人類第一個血型系統,也就是現在常見的ABO血型系統,他因此獲得 1930年的諾貝爾生理醫學獎。ABO血型系統的建立是根據紅血球細胞膜上抗原A與抗原B的有無,將血液分為 A型、B型、AB型及O型。
 
20世紀中,英國科學家沃特金斯(Winifred Watkins)與莫根(Walter Morgan)發現,決定抗原A與抗原B的關鍵在於細胞膜上H抗原所鏈接的單醣不同——具A抗原時,所鏈接的是「N-乙醯半乳糖胺」,具B抗原時,所鏈接的是「半乳糖」,進而形成 A型、B型、AB型、O型等不同血型。因此可知,細胞膜表面上的醣類能作為辨別不同細胞的依據。
 
不同血型的抗原基本結構相同,差異在於末端所鏈接的單醣不同。(圖/陳聖昌提供)不同血型的抗原基本結構相同,差異在於末端所鏈接的單醣不同。(圖/陳聖昌提供)
 
醣類vs生技醫療新發展
 
醣在人體中很重要,在現代生物醫學的應用上,自然蘊含了莫大的潛力。在我們人體裡,大部分的細胞表面都裹上了一層「醣」衣,包括細菌、病毒甚至癌細胞表面都是如此。但由於醣分子因本身組成結構複雜,過去即便有許多科學家想進一步探索,卻不得其門而入。
 
前中央研究院院長翁啟惠是醣分子研究的世界權威,其團隊長年致力於醣分子生物醫學的研究及應用,發明與改進「醣分子合成技術」,將合成後的醣分子應用於生技醫療方面。例如將其植在晶片上,用於檢測新型流感病毒,或將其作為抗原來設計疫苗,更應用於癌症的治療與預防。
 
由於癌細胞表面的醣分子結構與一般正常細胞不同,翁啟惠團隊設計出「醣探針」,用來追蹤正常細胞與癌細胞的差異,試圖找出這些分布在癌細胞表面的特殊醣分子,作為辨識癌細胞的標的,並利用這項特質開發治療的藥物。
 
細菌和人之間的生物表現差異大,所以一般針對傳染性疾病的疫苗可以幫助免疫系統輕易找到所要對抗的標的。而癌細胞原本就是從人體細胞病變而來,要找到對抗的目標不易,疫苗的設計就必須針對癌細胞與正常細胞的不同處,對癌細胞具有足夠的專一性,所產生的抗體才能正確找到癌細胞,並且消滅它。
 
1983年日本箱守仙一郎(Hakomori Sen-itiroh)教授在人體乳癌細胞表面上發現寡醣分子Globo H 有大量表現,之後其他科學家在卵巢癌、攝護腺癌、肺癌等癌細胞表面上,也發現類似情形。因此翁啟惠團隊認為Globo H具有足夠的專一性,將Globo H 製成疫苗的抗原,當癌症病患注射此種疫苗後,體內的免疫系統會開始活化,並產生會和癌細胞的Globo H結合的抗體,使得癌細胞容易被辨識,如此一來,人體本身的免疫機制就會鎖定這些癌細胞展開攻擊,消滅癌細胞及防止癌症復發。
 
癌症疫苗作用機制,以乳癌疫苗為例 。(圖/陳聖昌提供)癌症疫苗作用機制,以乳癌疫苗為例 。(圖/陳聖昌提供)
 
近年來翁啟惠及其團隊著手乳癌疫苗的研發,開發出全球第一個結合人工智慧和演算法的電腦軟體「Auto-CHO」,在此軟體協助下,科學家可以預測、排列出五萬個醣分子虛擬組合單元,就像閱讀食譜一樣,快速且多樣地合成醣分子,再針對醣分子相關疾病及癌症提出更多解方,是醣分子在生物醫學研究上的重大突破。
 
醣分子科學教育新發展
 
除了投入專業的研究之外,研究團隊也希望提升我國民眾對醣分子科學的認識,嘗試在國、高中生物課中納入相關教材,讓這些看似複雜的醣分子科學,一步步走進我們的日常生活中。期待臺灣能有更多醣科學研究者加入,持續投入醣分子在生物醫藥的研究與發明,為臺灣生技醫藥發展史寫下嶄新的一頁。
 
義守大學生物科技學系以及彰化師範大學科學教育研究所目前積極投入醣科學宣導,希望以遊戲、實境AR等等方式,帶領更多對生技醫療有興趣的同學進入這個研究領域。(圖/義守大學生物科技學系提供)
 
義守大學生物科技學系以及彰化師範大學科學教育研究所目前積極投入醣科學宣導,希望以遊戲、實境AR等等方式,帶領更多對生技醫療有興趣的同學進入這個研究領域。(圖/義守大學生物科技學系提供)
資料來源
  • 科技部107年度「科轉計畫:前沿科技轉化暨教育應用推廣」專案計畫
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