為什麼要研究「醣分子」？
醣分子與生物體內各項生化反應密切相關，但醣分子仍是目前主要生物分子中，對於其結構、機制、合成技術等知之甚少的一塊。中研院原子與分子科學研究所的倪其焜研究員，以化學動力學和量子化學為理論基礎，並利用質譜儀高靈敏的特性，建立另一種醣分子結構鑑定的方式。
醣類，和我們有何關係？
核酸、蛋白質、醣、脂質是生物體內四種最主要的生物分子。脂質結構相對簡單，但是核酸、蛋白質、醣都是巨分子，其結構相當複雜。綜觀過去半世紀以來的科學史，核酸與蛋白質的結構發現與相關技術開發，都成了科學發展中的重大里程碑；唯有「醣類」仍充滿的眾多謎團待解。
醣類由單醣分子組成，每一個單醣分子可由 3 到 7 個碳原子，和特定數目的氫、氧等原子組成。例如：我們耳熟能詳的葡萄糖、果糖、半乳糖，都是由 6 個碳原子所組成的單醣分子，是分子式為 C6H12O6 的同分異構物，亦即擁有相同分子式，但結構式卻不相同。其中葡萄糖和半乳糖的差別，只在連接到 4 號碳原子的 OH 官能基方向不同。
2 個單醣分子可以進行脫水反應後連結成雙醣； 3 到 10 個單醣分子連結成的醣稱為寡醣；更多個單醣分子組成的醣則稱為多醣。我們每日熱量主要來源澱粉、飲食調味用的蔗糖、果糖都是屬於醣類。
我們生活中部分常見的「醣類」。資料來源│Wikipedia 圖說重製│張語辰
不過，醣類並不只是作為熱量的來源而已。
近年來眾多研究發現，醣類參與了多種生化反應、與疾病傳染機制。
例如，牛奶與母乳所含的醣類成分就有些微差距，能對嬰兒腸道內細菌有不同的抑制和促進作用；又例如，禽流感的病毒會與特定的醣分子結合，因此檢測或合成指定的醣分子，就可以發展成快篩鑑定禽流感病毒種類的工具。
醣類結構：排列組合超級多！
雖然與其他生物分子相比，醣類分子的結構看似單純許多。以六碳醣來說，不同單醣分子的差異，只差在連接到不同碳原子的 OH 官能基，有不同的連接角度。但是，這一個小小的差異，卻使得看似相似的醣分子，有著大量的排列組合方式。
葡萄糖的首旋異構物，取決於一號碳原子上連接的 OH 官能基的角度。
資料來源│倪其焜提供 圖說重製│廖英凱、張語辰
以上圖的葡萄糖為例，將葡萄糖溶於水中，會出現「𝛂-葡萄糖」與「𝛃-葡萄糖」兩種首旋異構物（或稱變旋異構物），兩者的差異是：在天然的葡萄糖中，位於 1 號碳原子上的 OH 官能基，大概有 40% 的比例呈現連接角度向下，稱之為 𝛂-葡萄糖；有 60% 的比例呈現連接角度向上，稱之為 𝛃-葡萄糖。
而當兩個葡萄糖要結合成雙醣時，兩種首旋異構物的葡萄糖，各自會有四種不同的連接方式，如下圖所示。因此光是由葡萄糖組成的雙醣，就可以有八種不同的同分異構物。兩個葡萄糖些微的不同鍵結方式，有時會有很不同的生化反應。
首旋異構物「𝛂-葡萄糖」與「𝛃-葡萄糖」，在不同的連接位置、以不同的連接角度，可以結合成完全不同的雙醣(同分異構物)。
資料來源│倪其焜提供 圖說重製│廖英凱、張語辰
上圖中，常見的麥芽糖是由兩個 𝛂-葡萄糖組成，其中一個葡萄糖序號 1 的碳原子，與另一個葡萄糖序號 4 的碳原子相接，在符號上可寫為：𝛂（1→4）。但如果把 𝛂-葡萄糖改為 𝛃-葡萄糖，但連接的方式相同時，則會形成人體無法消化的「纖維二糖」，符號上可寫為：𝛃（1→4）。
如果我們再繼續將葡萄醣分子連接下去，4 個葡萄糖分子相連就可以有 928 種組合，5 個葡萄糖分子就會有上萬種的組合。這些不同組合的葡萄糖，有著截然不同的結構，有可能會對應到完全不同的生化反應、或生理機制。
結構，是了解化學反應的第一步。
對於化學家來說，一個分子或物質的功能，取決於它所參與的化學反應。而化學反應是如何發生、為何發生，則取決於分子或物質的結構。因此，確立一個分子或物質的化學結構，是了解化學反應的第一步。
質譜儀：窺見醣的千萬面貌
儘管過去科學界已建立了核磁共振、質譜儀、液相／氣相層析等，多種鑑定複雜分子結構的方式。但對於醣分子來說，由於種類過於多樣、在生物體內的每一種的量都非常少、再加上目前沒有類似核酸或蛋白質的技術，可以將萃取後少量的醣分子複製，造成醣分子的結構鑑定非常困難。因而導致醣分子的研究發展，明顯落後於其他生物分子。目前，學界多利用「質譜儀」來作為分析醣分子結構的工具。
由於質譜儀的偵測能力最為靈敏，僅需要少量的樣本就可以進行實驗，正好適合醣分子多樣卻少量的特徵。
質譜儀的運作原理。
資料來源│台灣 Wiki 圖說重製│廖英凱、張語辰
當待測物分子因游離而帶電，例如：被電子轟擊、 雷射游離、附著金屬離子、或附著額外的電子、質子時，會產生帶電分子。質譜儀是藉由量測帶電分子的質量與電荷比例（m/z, 質荷比），來分析待測物分子的質量。
如果供給帶電分子更多的能量，例如：經過碰撞或吸收光，帶電分子會分解產生帶電的碎片。這些不同質量的碎片因為所含原子組成的不同，會有不同的質荷比。由於這些碎片的原子組成，往往和原來分子的結構有關。因此藉由質譜儀量測這些碎片的電荷比例（m/z, 質荷比），及其對應的強度，可以得知分析待測物分子的結構。
我們以一個簡單的蛋白質為例，來理解質譜儀用作定序的原理。假設有某一個已知質量的蛋白質，這個蛋白質是由 4 種不同的質量的胺基酸組成，而 4 種胺基酸排序後，可以有 4! = 24 種排列組合的可能，如下圖所示：
4 種胺基酸可以有 24 種排列組合，需要質譜儀分析待測的蛋白質是哪種組合方式。
資料來源│倪其焜提供 圖說重製│廖英凱、張語辰
在質譜儀的實驗中，我們可以將蛋白質分子打碎成質量不一致的碎片，並參考這些胺基酸的已知質量，就能進一步估計這些碎片是由哪一些胺基酸鍵結組成；只要碎片的形式夠多，就可以藉此推估該蛋白質內的胺基酸序列，如下圖所示：
利用質譜儀，將蛋白質打散成不同質量的碎片，並利用碎片的質量，推測出各個碎片的胺基酸組成，最後排序出蛋白質的胺基酸序列。 資料來源│倪其焜提供 圖說重製│廖英凱、張語辰
像這樣的質譜鑑定技術，被廣泛運用到日常生活。例如食安事件中，為了要確認食品中是否含有某些有害物質，就可以將食物樣本送到質譜儀中，看所檢測出來的質譜是否有對應到資料庫中指定有害物質的質譜。
只是，這種以資料庫質譜比對的方式，對於醣分子的研究仍相當受限。以 4 個葡萄糖分子的組合為例，雖然相連起來會有 928 種 4 醣分子組合，但市面上目前僅能買到 20 餘種人工合成的 4 醣分子產品供質譜儀量測，要合成其他 4 醣分子也是耗時耗力，因此還遠遠無法建立起比對用的醣分子資料庫。
因應無法利用資料庫比對的方式來鑑定待測的醣分子，倪其焜與研究團隊所使用的方式，是以化學動力學和量子化學作為理論基礎，以理論預測醣類分子獲得能量後鍵結斷裂的模式，再與質譜儀實驗結果交互驗證，以此發展出醣分子的質譜儀鑑定技術。
有果必有因，從原理推測結構
以本文前述葡萄糖的兩種首旋異構物為例，如同下圖顯示，這兩種帶金屬鈉離子的首旋異構物在質譜儀中，可以觀察到在質荷比數值 185 處，𝛂-葡萄糖的訊號強度明顯大於 𝛃-葡萄糖。質荷比 185 的峰值，與帶金屬鈉離子葡萄糖的質荷比 203 的峰值， 剛好相差了一個水分子的分子質量，這代表 𝛂-葡萄糖比 𝛃-葡萄糖更容易失去了一個水分子 （H2O） 。
𝛂-葡萄糖與 𝛃-葡萄糖在 1 號 OH 官能基的連接角度不同，導致官能基上氫原子躍遷到 2 號官能基的能量障蔽不同，而使兩種葡萄糖分子在質譜儀中，斷裂出水分子的比例不一樣。在質譜圖中，可看出 𝛂-葡萄糖在減少一個水分子的質荷比 185 處訊號強度，明顯高於 𝛃-葡萄糖。
資料來源│Ni et al. Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19, 15454 圖說重製│廖英凱、張語辰
倪其焜團隊從量子化學的理論計算發現：葡萄糖失去了一個水分子的機制，主要是由位置 2 的 OH 官能基裡的氫原子，轉移到位置 1 的 OH 官能基上的氧原子，再經由斷裂位置 1 的 C-O 鍵，脫離一個水分子。
由於 𝛂-葡萄糖上，位置 1 與位置 2 的 OH 官能基距離，明顯小於 𝛃-葡萄糖上同樣位置官能基的距離。因此，𝛂-葡萄糖上，位置 2 的 OH 官能基裡的氫原子，要轉移到位置 1 的 OH 官能基上形成水分子 （H2O）的能量障蔽，明顯小於 𝛃-葡萄糖。
因此，從質譜可以判斷，質荷比 185 峰值較大者，對應的一定是 𝛂-葡萄糖 ; 質荷比 185 峰值較小者，則是 𝛃-葡萄糖。
同樣的科學原理，也可以應用到各種雙醣分子 𝛂 與 𝛃 兩種不同連接角度的糖苷鍵、或醣分子末端的 𝛂 與 𝛃 不同角度的官能基。透過實驗與理論的交互驗證，就可以在欠缺醣分子資料庫比對、僅擁有極少實驗樣本的情境下，精確地推論與鑑定出醣分子的結構。
醣那麼難研究，何苦選擇它
大家搞不清楚的混沌領域，是科學家開疆闢土的地方！
倪其焜回顧醣質譜的研究歷程，其實也與過去中研院兩任院長的研究有關。如前院長翁啟惠最為知名的研究，就是開發出快速且大量的醣分子合成方式，近年來更將醣分子應用於癌症等治療方式的研發。
但早年研究醣分子時，發現醣分子不僅結構複雜難以分析，相比起蛋白質，醣分子在質譜儀內也難以游離、無法有效鑑定。倪其焜當時發現，主因為當時國際學術界對於醣分子游離的理論與數據解讀有誤，因而與團隊提出了正確且簡單的理論，成功解釋了醣分子的游離機制。
前院長李遠哲，更交付了「提高醣分子游離效率」的任務給倪其焜，由於醣分子的數量稀少且難以人工合成，提高游離效率就意味著：能在有限的醣分子樣本之下，增加實驗的成功率或鑑別度。雖然在後續的研究中，倪其焜研究團隊陸續提出一些改善方式，使游離效率能提高百倍，不過助益仍相當有限。面臨這個挑戰，倪其焜進一步思考，其實人們對於質譜儀內醣分子的鍵結斷裂原理所知甚少，因而發現了這個全新的研究角度。
倪其焜與研究團隊成員。後方儀器，為前院長李遠哲於柏克萊大學時自製的交叉分子束儀器，現位於中研院原分所內供研究使用。
攝影│廖英凱
近年來，科學家大量認知到醣分子的重要性與研究的困難度。倪其焜認為，像醣分子這樣仍屬謎團重重的混沌領域，正是科學家開疆闢土的好地方。中研院在前任院長的支持下，近年建立了跨領域的研究團隊，包含基因體中心、生化所、化學所等，從不同的角度切入，研究醣分子的合成、鑑定，以及醣分子在生化、醫學的功能等。這也是台灣在科學研究上，另一個可以在世界舞台上佔一席之地的契機。
在醣分子研究的歷程上，有可能會遭遇既有理論的瑕疵錯誤，也有可能會欠缺關鍵技術與資源的支持。但若能窮盡物質世界的學理，引進不同研究領域的理論與技術，就有可能在混沌之境，開創出前所未見的研究新視角。
延伸閱讀
- 倪其焜的個人網頁
- Jien-Lian Chen, Hock Seng Nguan, Po-Jen Hsu, Shang-Ting Tsai, Chia Yen Liew, Jer-Lai Kuo, Wei-Ping Hu, and Chi-Kung Ni*. Collision-induced dissociation of sodiated glucose and identification of anomeric configuration. Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 15454 （2017）
- Hsu Chen Hsu, Chia Yen Liew, Shih-Pei Huang, Shang-Ting Tsai, Chi-Kung Ni*. Simple Method for De Novo Structural Determination of Underivatised Glucose Oligosaccharides. Scientific Reports 8, 5562 （2018）
- Hsu Chen Hsu, Chia Yen Liew, Shih-Pei Huang, Shang-Ting Tsai, Chi-Kung Ni*. Simple Approach for De Novo Structural Identification of Mannose Trisaccharides. J. Am. Soc. Mass. Spectrom. 29, 470 （2018）
本著作由研之有物製作，原文為《醣有千萬面貌，質譜儀來解》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。
本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位
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