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2026年第7卷第4期
糖合成生物学
特约编辑：俞飚，杜昱光，金城，丁侃
序
- 摘要：含有多个糖基的长糖链皂苷是常见的植物次生代谢产物，具有调节免疫、抗肿瘤、降脂等药理活性，糖链组成差异是其结构多样性的重要原因。近期，英国约翰英纳斯中心Anne Osbourn教授团队和美国佐治亚大学Jim Leebens-Mack教授团队在Nat. Chem. Biol.期刊上发表文章，解析了肥皂草中八糖皂苷saponarioside B的生物合成途径。其他长糖链皂苷如avenacin A-1、yossoside V、α-tomatine、QS-21等的生物合成途径也已于近年阐明。本文结合相关研究，针对长糖链皂苷生物合成途径中的糖基化酶进行评论，为长糖链皂苷的生物合成酶挖掘与生物制造提供思路，为植物源皂苷的合成生物学提供线索。关键词：长糖链皂苷;生物合成;糖基化反应;糖基转移酶;转糖苷酶;罕见糖128|105|0更新时间：2026-09-04
评论
- 摘要：糖类作为自然界结构多样性最高的生物大分子类别，其糖链在细胞识别、信号转导和免疫调控中发挥不可替代的核心作用。然而，糖链的非模板驱动生物合成机制，糖苷键的连接位置、异头构型和分支模式均由定位在不同亚细胞区室的糖基转移酶协同决定，使其规模化制备长期受限于化学合成的高昂成本和天然来源的不均一性。合成生物学将糖基化系统重新定义为可设计、可重构的工程网络：通过糖基转移酶的基因组挖掘与蛋白质工程、糖核苷酸代谢网络的精细调控、微生物细胞工厂的系统优化，正在实现从单糖到复杂糖缀合物的精准生物制造。当前糖合成生物学面临三大核心瓶颈，包括糖基化元件库功能表征严重不完整、糖核苷酸胞内供给水平的精细调控精度不足、糖链的结构-活性关系远未系统解析。本文系统梳理了糖合成生物学四项核心使能技术（包括糖基转移酶元件工程、代谢途径重构、细胞工厂设计及无细胞合成体系）近二十年的关键突破，并讨论了在母乳寡糖、糖基化抗体、糖疫苗及功能多糖材料中的产业化进展。最后，本文分析AI驱动的糖链结构预测与糖密码解析对糖合成生物学智能化设计的推动作用，展望该领域从经验驱动到智能设计的范式跃迁前景。关键词：糖合成生物学;糖基转移酶;代谢工程;细胞工厂;糖核苷酸;母乳寡糖;无细胞合成体系273|125|0更新时间：2026-09-04
- 摘要：淀粉、糖等碳水化合物是重要的食物组分和工业原料。随着全球碳中和目标的推进以及粮食安全保障需求的提升，从二氧化碳直接合成碳水化合物，已成为二氧化碳资源化利用和保障粮食安全的重要潜在途径之一。本文系统总结了近十年来二氧化碳人工合成碳水化合物的研究进展，重点分析了催化剂设计理念、关键酶改造及代谢途径构建策略，并对比了化学与生物路线的技术潜力与应用局限。当前该领域已发展了化学、体外多酶级联和微生物细胞工厂等多种催化体系。在化学催化方面，近年来随着催化剂设计的精细化和反应条件的优化，反应的选择性与转化效率得到显著提升，但仍面临催化剂寿命短、生成高浓度甲醛困难及糖的选择性差等瓶颈；体外多酶级联体系和微生物细胞工厂体系则在合成单糖、寡糖和淀粉等碳水化合物中展现出高选择性优势，但仍受限于代谢通量不足、中间产物毒性、酶成本高及辅酶再生困难等问题。针对当前领域面临的化学选择性低、酶底物耐受性差、辅酶/能量成本高等核心瓶颈进行了讨论，并展望未来的研究热点，如高效催化剂的构建、酶改造、辅酶/能量再生系统设计等，为碳中和背景下的可持续碳水化合物生产提供理论和实践参考。关键词：二氧化碳;人工合成碳水化合物;糖;淀粉;化学催化体系;体外多酶级联体系;微生物细胞工厂体系299|67|0更新时间：2026-09-04
- 摘要：随着合成生物学与代谢工程的飞速发展，功能糖的生物合成取得显著突破。生物传感器在微生物细胞工厂合成过程动态调控及合成所需关键酶高通量筛选中作用突出，正逐渐成为提高功能糖生物合成效率的前沿技术。本文系统概述了生物传感器的核心组成模块，阐述了转录因子型生物传感器、RNA型生物传感器、双组分系统型生物传感器及荧光蛋白型生物传感器等的基本工作原理与性能评估指标，并总结了提升上述传感器特异性、灵敏度、动态响应范围等重要参数的主要方法。在此基础上，系统归纳了生物传感器在母乳寡糖、D-阿洛酮糖等功能糖高通量筛选与底盘动态调控中的最新研究进展。重点指出了生物传感器在代谢网络动态调控中的显著成效，部分目标产物（如2′-岩藻糖基乳糖、N-乙酰氨基葡萄糖）的发酵水平提升至百克级以上。最后，本文总结了生物传感器在功能糖生物合成中的核心作用，并展望了AI辅助智能化元件创制、真核底盘拓展、多信号逻辑门集成及自动化平台驱动等下一代智能化细胞工厂的生物传感器发展趋势。关键词：生物传感器;功能糖;动态调控;高通量筛选;合成生物学253|139|0更新时间：2026-09-04
- 摘要：随着全球健康意识的提升，消费者对低热量、功能性的天然糖（简称健康糖）需求增长。酶催化与体外生物转化（in vitro BioTransformation，ivBT）是健康糖的工业生物制造的两大平台技术。酶法生产果葡糖浆的商业化成功开启淀粉糖产业，随后Izumoring策略推动酶法生产稀有糖，但受原料依赖、转化率低、分离成本高、辅酶循环利用等因素使该策略难以大规模生产健康糖（如D-塔格糖、L-阿拉伯糖）。基于ivBT平台，我们开发了首个非天然戊单糖4-差向异构酶，实现D型与L型戊糖的直接转换，无需经过糖醇中间体，打通D-木糖向L-阿拉伯糖转化新路径；淀粉制肌醇已成功实现产业化，验证了Zhang策略（“无ATP磷酸化-异构-脱磷酸”策略）的生物制造优势，该策略拓展至廉价多糖原料合成D-塔格糖、D-阿洛酮糖、D-甘露糖等健康糖；“二氧化碳合成糖类”技术突破了植物光合作用的能效低与速度慢的瓶颈，为以第三代原料合成健康糖及其衍生物开辟新途径。ivBT平台取得了系列突破性进展，有望为开发“低成本、高可及性、高功能性”的健康糖提供核心支撑，引领甜味剂产业的新变革。关键词：体外生物转化（ivBT）;健康糖;Izumoring策略;D，L-型糖异构酶;Zhang策略（“无ATP磷酸化-异构-脱磷酸”策略）137|82|0更新时间：2026-09-04
- 摘要：糖质是功能食品、医药、能源与材料领域中至关重要的生物资源。近年来，作为一种新兴的无细胞合成平台，体外生物合成技术正逐渐成为糖质制造的重要技术路径。该技术通过整合多种酶在单一反应体系中协同催化，突破了细胞底盘的稳态限制，具备更高的路径可控性、反应效率与原子经济性。本文系统回顾了糖质体外合成体系的核心技术进展，包括新酶挖掘与分子改造、热力学驱动与辅酶循环策略、模块化路径设计及多酶协同适配机制；同时梳理了该技术在单糖/糖醇、寡糖、多糖及糖衍生物等方面的代表性应用案例，展现其在廉价资源利用、原子经济性及规模化生产方面的优势。此外，本文还分析了人工智能在新酶挖掘改造、反应路径优化、工艺参数预测等糖质体外生物合成关键技术中的应用潜力。随着生物学与众多学科的深度交叉融合，糖质体外生物合成正加速从实验室走向工业化，有望成为下一代绿色生物制造的重要支撑。关键词：糖质资源;体外生物合成;酶工程;路径设计;热力学驱动;辅酶循环89|42|0更新时间：2026-09-04
- 摘要：糖质（glycan）是构成生命的基本生物分子，在生物过程中发挥重要作用，与人类健康和疾病密切相关。由于糖质结构的复杂性，糖质所携带的密码信息大大超过核酸及蛋白质等任何其他生物大分子。为了破译糖质携带的密码信息，就需要获得一定量的、结构明确的糖质。合成仍然是获得糖质的最佳方式。体外生物转化（in vitro biotransformation， ivBT）是一个基于体外多酶催化的新型工业生物制造技术，由酶、辅酶等元件体外重构生化反应途径，实现目标产物的高效合成，正逐渐发展成为合成糖质的一种重要技术。本文综述了ivBT在糖质合成中的应用、ivBT糖质合成相关的糖核苷合成、糖基转移、NTP再生等核心元件及酶的固定化、微流控、酶促自动化合成、动力学模拟、离子液体等关键技术，展望了糖质ivBT合成相关的酶的协同性、特殊重组酶生产成本的降低、仿生辅酶的循环再生、多酶复合体的应用、硫酸化糖质的合成、AI辅助的反应条件优化等发展方向，旨在为糖质ivBT合成的未来发展提供指导。关键词：糖质的体外生物合成;体外生物转化;酶催化模块;NTP再生;糖质体外生物合成的关键技术73|79|0更新时间：2026-09-04
- 摘要：人乳寡糖是存在于人乳中的天然活性寡糖，对新生儿健康至关重要。人乳寡糖具有多种健康益处，如益生元活性、抗炎和抗菌特性、抗病毒以及促进新生儿认知发展作用等，已经成为婴儿配方奶粉、临床婴儿营养品、膳食补充剂或功能食品的重要组分。随着越来越多人乳寡糖获批应用于婴儿配方奶粉，其在商业领域的价值愈发凸显，人乳寡糖规模化制备技术也成为研究热点。鉴于人乳寡糖广阔的应用前景与市场需求，以及体外生物转化（ivBT）在大宗糖类产品生产中展现的高效、绿色、可规模化放大等显著优势，本文综述了人乳寡糖的结构组成、功能特性和合成方法，尤其是体外生物转化在人乳寡糖规模制备领域的研究进展，为相关基础研究与产业转化提供理论依据与技术参考。未来ivBT将向原料绿色化、酶元件改造智能化、过程连续化纵深发展，进一步降低人乳寡糖高效规模化生产的综合成本，为产业化注入新动能。关键词：人乳寡糖;生物活性;合成方法;体外生物转化;合成生物学51|53|0更新时间：2026-09-04
- 摘要：母乳低聚糖（human milk oligosaccharide，HMO）是母乳中的核心营养成分，对于婴幼儿的生长发育具有无可替代的生理功效，是新一代婴幼儿配方奶粉的核心原料。目前针对HMO的研究主要集中在生理功能、临床应用以及生物合成技术开发等方面。鉴于HMO广阔的市场需求，高效生物合成HMO逐渐成为研究热点。合成生物技术的突破使微生物发酵法大规模生产HMO成为可能，显著提升了产业化进程的经济可行性。本文系统综述了HMO生物合成的主要策略，包括基于核苷酸供体的酶法合成、体外多酶级联反应体系、代谢工程改造微生物细胞工厂等研究进展，重点讨论了关键糖基转移酶的特异性、前体供给瓶颈及合成途径的调控机制。同时，对当前合成效率、产物谱系多样性及规模化生产面临的挑战进行了梳理，以期为HMO的高效可控合成提供理论参考。未来HMO生物合成将借助人工智能辅助的酶工程开发具有宽泛受体特异性的糖基转移酶工具箱，同时合成生物技术的发展与底盘细胞的深度改造推动结构多样化HMO的精准高效生物合成。关键词：母乳低聚糖;糖基转移酶;合成生物学;代谢网络调控;多酶级联反应;酶工程73|66|0更新时间：2026-09-04
- 摘要：母乳低聚糖（human milk oligosaccharide，HMO）是母乳中仅次于乳糖和脂肪的第三大固体成分，其含量可达到5～15g/L，对婴儿的生长发育有着至关重要的作用。HMO不仅能促进婴儿肠道中有益菌群（如双歧杆菌）的定植，抑制病原体附着，还能直接调节免疫系统发育，增强抗感染能力。根据其化学结构，HMO可分为中性低聚糖（如2′-岩藻糖基乳糖）和酸性低聚糖两大类，唾液酸化的HMO是其主要成分之一，并且唾液酸化人乳低聚糖（SHMO）是一类含有唾液酸残基的复杂碳水化合物，在母乳中含量丰富，尤其在初乳中占比更高。常见的SHMO包括结构相对简单的3′-唾液酸乳糖（3′-sialyllactose，3′-SL）和6′-唾液酸乳糖（6′-sialyllactose，6′-SL），以及更复杂的人乳寡糖LSTc、唾液酸乳糖-N-四糖a（LSTa）、双唾液酸乳糖-N-四糖（DLSNT）等。其中3′-SL和6′-SL是唾液酸乳糖（sialyllactose，SL）中研究最多且功能较为明确的两种成分，目前已经获得了美国食品和药物管理局（FDA）的公认安全（GRAS）批准，可以添加到婴儿配方奶粉或者其他膳食中。本文重点介绍了HMO的分类，SL的合成方法、功能与应用，并根据目前SL合成以及应用情况，提出了当前所面临的挑战和未来方向。SL不仅能够调节肠道菌群平衡，还具有抗炎、抗病毒及促进神经发育等作用，因此在医药、食品和营养补充剂等领域展现出巨大潜力。然而，SL的大规模生产仍面临诸多挑战，如合成效率低、纯化工艺复杂等。未来，随着合成生物学和代谢工程技术的发展，优化SHMO的生物合成途径、提高产量并降低成本将成为重要研究方向，以推动其在婴幼儿营养、功能性食品及药物开发中的广泛应用。关键词：合成生物学;3′-唾液酸乳糖;生物合成;唾液酸乳糖;6′-唾液酸乳糖64|112|0更新时间：2026-09-04
- 摘要：硫酸软骨素（chondroitin sulfate，CS）是一类广泛存在于动物结缔组织中的糖胺聚糖，具有良好的抗炎、保水、抗氧化等多种生物活性，广泛应用于关节保健品、化妆品及医药等领域。然而，传统的动物组织提取工艺面临分子量不均一、潜在病原体风险、工艺周期长、环境污染等问题，难以满足高标准应用领域对产品纯度与安全性的要求。随着合成生物学的发展，利用工程化微生物实现CS的绿色制造已经成为研究热点。通过在微生物细胞工厂中重构CS前体合成路径和构建高效硫酸化修饰体系，已初步实现CS的可控生物合成，并通过引入CS降解酶实现了CS寡聚糖的制备。本综述系统梳理了CS的生物合成研究进展，重点讨论了前体软骨素合成途径优化及关键酶元件设计优化、CS的生物合成体系构建与优化及寡聚糖的精准制备技术。基于这些最新的研究进展，本文深入分析了CS及其寡聚糖生物合成面临的主要挑战，包括前体供应不足、硫酸基转移酶催化活性及稳定性差、软骨素糖链聚合与硫酸化修饰的时空协同调控不明确，以及CS寡聚糖制备中水解酶催化效率低下等问题，并对CS及其寡聚糖生物合成研究的未来发展方向进行了展望：未来研究应着力通过动态代谢调控、人工智能辅助酶改造以及合成生物学与酶工程的深度融合，实现CS绿色、高效的规模化生产及推进其在多领域的创新应用。关键词：硫酸软骨素;软骨素;硫酸基供体;硫酸基转移酶;代谢工程;合成生物学150|83|0更新时间：2026-09-04
- 摘要：糖基化是一种常见的蛋白质翻译后修饰，N-糖链的合成起始于内质网并在高尔基体中完成。糖链结构的精确合成与调控不仅促进蛋白质结构与功能的成熟，还与多种疾病的发生发展密切相关。近年来，N-糖链生物合成机制陆续阐明，使其合成通路逐渐清晰，进而推动了合成方法的发展和应用转化。本综述系统梳理了近年来N-糖链合成领域的重要工作和进展，旨在为糖合成生物学研究提供可行的策略。在解析N-糖链体内合成的过程中，活体成像与单细胞分析、多组学整合等前沿技术的涌现，使糖链合成动态网络相关研究取得了突破性进展；在N-糖链体外合成的研究中，酶法催化、化学酶法结合、细胞工厂等技术的发展和优化实现了复杂糖链的可控合成，为其功能研究和应用提供了重要工具；在疾病诊断与干预方面，神经退行性疾病、肿瘤和心血管疾病等多种疾病中存在异常合成的N-糖链，为诊断标志物的发现和干预策略的设计提供了新思路。关键词：N-糖链生物合成;N-糖链体外合成;糖生物学;糖生物标志物;疾病诊断与干预59|26|0更新时间：2026-09-04
- 摘要：糖脂是生物膜表面的关键分子，在细胞识别、信号转导、免疫调控及病理过程中发挥重要作用。然而，天然糖脂的结构异质性高、分离纯化困难，限制了其功能研究与临床应用。化学合成与酶促合成是获取结构明确糖脂的主要途径，但各自存在技术瓶颈。化学酶促组装策略融合化学合成的灵活性与酶反应的立体/区域专一性，成为复杂糖脂精准制备的重要方向。本文首先梳理鞘糖脂的结构特征与生物学功能，对比分析传统化学合成与酶促合成的局限；进而重点阐述化学酶促合成的关键技术，包括模块化组装、一锅多酶（OPME）策略及功能化修饰鞘糖脂的精准合成等研究进展。未来结合人工智能辅助酶工程、自动化合成及合成生物学等前沿技术，有望实现复杂鞘糖脂的高效精准制备，推动其生物医药应用。关键词：鞘糖脂;化学酶法;模块化组装;精准合成;功能化修饰111|94|0更新时间：2026-09-04
- 摘要：外泌体是介导细胞间通信的关键胞外囊泡，其表面糖链构成的糖萼结构被誉为细胞间通信的“糖密码”，在靶向识别、细胞摄取、免疫调节及信号转导中发挥核心作用。然而，天然外泌体糖链的高度异质性导致其作为药物递送载体时面临靶向性不足、胞内递送效率低、体内易被清除等临床转化瓶颈。外泌体糖链编辑技术通过精准修饰或重构糖链结构，为突破上述难题提供了革命性手段，成为糖生物学与纳米医学交叉领域的研究前沿。本文系统综述了外泌体糖链的组成特征、分析技术进展与核心生物学功能，重点阐述了宿主细胞工程、体外直接修饰、合成生物学重构三大糖链编辑策略的技术原理与应用优势，深入解析了糖链编辑对外泌体靶向特异性、细胞内吞途径、免疫原性及货物装载的调控机制，总结了工程化糖链编辑外泌体在肿瘤、炎症性疾病、神经退行性疾病与代谢性疾病治疗中的应用前景。同时，本文指出该领域目前面临外泌体异质性难控、糖链编辑精度不足、规模化制备成本高、临床转化标准缺失等挑战。未来将通过基因编辑、微流控、AI辅助设计等多技术融合，发展微环境响应型智能糖链编辑，深化糖链-货物调控机制解析，加快行业标准与监管体系建设，最终推动外泌体糖链编辑技术在精准医疗、靶向药物递送与疾病诊疗中的产业化落地。关键词：外泌体;糖基化;糖链编辑;合成生物学;细胞间通信;药物递送;代谢标记73|72|0更新时间：2026-09-04
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