俗稱“碳水化合物”的糖質，是與核酸（DNA、RNA）、蛋白質、脂質一起構成生命的四大基本生物大分子，也是地球上已知生物量最高的生物大分子，其重要性不言而喻。然而，由於其太過復雜、缺乏有效的研究手段，一直以來科學界連它們有哪些、長啥樣都不知道，導致糖質研究困難重重、嚴重滯后於蛋白質。

如今，深圳醫學科學院/深圳灣實驗室/清華大學顏寧團隊與合作者另辟蹊徑，利用“酷尋”策略，終於逐步揭開了這一“生命暗物質”的神秘面紗。

顏寧近照。深圳醫學科學院供圖

特別是，在《科學》雜志發表的最新成果中，顏寧團隊獲得了最高分辨率達到0.18納米的天然糖質復合物超高分辨率三維結構，實現了在原子分辨率的“可視化”研究，打開了糖質生物學研究的“天眼”。

冷凍電鏡分析揭示金藻管狀微絨毛表面存在的大量復雜糖質及其近原子分辨率三維結構。A. 金藻表面的管狀微絨毛。上圖：金藻卡通示意圖，以及其長鞭毛（橙色粗線）表面覆蓋的微絨毛（淺綠色細線）。中圖：冷凍電鏡拍攝到的管狀微絨毛的原始照片。下圖：圖像初步處理過的二維分類。B.管狀微絨毛的冷凍電鏡三維重構圖。C.根據冷凍電鏡密度圖搭建的微絨毛結構模型。D.微絨毛表面覆蓋大量復雜糖質（以紅白球示意）。深圳醫學科學院供圖

糖質：熟悉而又陌生的“生命暗物質”

“你可能經常聽見身邊的朋友說‘碳水使我快樂’或者‘少吃碳水’，這都說明糖質與我們的生活息息相關。”顏寧在接受記者採訪時說，“糖質不僅給我們提供能量，還在細胞識別、信號轉導、免疫調控和結構支撐等多種生理過程中發揮著關鍵作用。”

“糖質的分子結構復雜，種類繁多。”顏寧說，它既包括單糖（葡萄糖、果糖、半乳糖等）、雙糖（蔗糖、乳糖、麥芽糖等）、多糖（澱粉、糖原等）、纖維素等膳食纖維，還包括糖肽分子等與多糖耦合的各種生物大分子。“我們的研究表明，在自然界中還有許多未被人類發現甚至想象過的糖質，其功能和作用更有許多未解之謎。”

與蛋白質、核酸一樣，對糖質的研究可追溯至19世紀。但是，迄今為止，人類對於糖質的了解遠不如核酸和蛋白質，稱其為“生命暗物質”並不為過。

“研究滯后的根本原因之一是糖質研究中存在一個巨大的瓶頸——科學家看不清它的內部結構。”顏寧解釋說，“在生命科學領域，結構決定功能。這裡的‘結構’，既包括長寬高外形這些幾何形式，也包括所用的材料等物理化學性質。就像家裡面，不同的結構、材料決定了這個地方是廚房、那個地方是衛生間一樣，生物大分子的結構不同，所具有的功能和作用也各不相同。”

為什麼糖質的結構難以解析？

“一是因為糖質太過復雜。它們一般都由多種多樣數量不明的單糖通過復雜的糖苷鍵化學連接，具有高度柔軟靈活的‘身段’，因為一直缺乏好的研究系統，所以過去即便用最強大的冷凍電子顯微鏡也很難‘看清’復雜糖質的內部構造。”顏寧告訴記者，另一個重要原因，DNA、RNA、蛋白質可以依賴模板生成，從基因組序列就可以直接推測出它們的組成，但細胞合成糖質沒有模板，導致科學家很難搞清楚糖質的成分。

她進一步解釋：通過人類基因組計劃，人們發明了高通量測序技術，可以很容易獲得某個研究對象的DNA、RNA序列，而DNA、RNA的序列又與蛋白質序列存在確定的對應關系﹔另一方面，幾十年的研究也基本確立了蛋白質序列與其三維結構的相對准確的對應關系，這就是AlphaFold可以預測蛋白結構的基礎。你給人工智能工具AlphaFold一串氨基酸序列，它就可以預測出其中大部分相對准確的結構，當然也有很多預測不准確的情況。“但我們研究的糖質許多是壓根都不知道其存在與否的復雜生物大分子，像AlphaFold這種人工智能工具連研究對象都沒有，所以壓根無能為力。”

顏寧指出，高分辨率結構信息的長期缺失，在很大程度上阻礙了人類對糖質在多種生理和病理過程中作用機制的深入理解，導致糖質生物學的發展遠遠滯后於核酸和蛋白質。

採用酷尋策略，探索（創建）結構生物學研究新范式

自2022年回國后，此前在蛋白質結構研究領域成績斐然的顏寧，開始轉向自己的第二戰場——糖質生物學。

然而，面對既不知道其內部“長什麼樣”、更不知有多少未知“新物種”的“生命暗物質”，如何才能找到突破的入口？

顏寧團隊另辟蹊徑，創造性地提出酷尋（CryoSeek）研究策略——“結構先行”的生物發現新范式。

顏寧介紹，傳統結構生物學長期遵循“從分子到結構”的經典研究范式：先確定某個已知其功能的目標分子，然后解析它的結構，進而深入研究它如何發揮功能。“我們提出的CryoSeek研究策略的核心，是把冷凍電鏡這一傳統的結構解析工具變為發現未知生物大分子的‘放大鏡’：不依賴作為先驗知識的序列或功能信息，直接從自然水體、環境樣品特別是臨床樣本和動物組織中提取研究對象，通過解析高分辨率結構來發現此前未知的生物大分子，再據此深入研究它們的生理功能和作用機制。”

為此，顏寧團隊與深圳醫學科學院的胡名旭團隊合作開發了高通量的電鏡圖像處理算法，大幅提升了結構解析效率。然而，隨著CryoSeek策略在多種環境樣本中的廣泛使用，所解析結構的數量與復雜度迅速增加，傳統的數據管理與分析方法已難以適應高通量發現的需求。

為推動數據共享與科研協作，並使CryoSeek策略真正成為服務全球生命科學研究的公共工具，他們又依托深圳醫學科學院運行的深圳國家基因庫建立了CryoSeek數據庫（cryoseek.org.cn）。

CryoSeek數據平台首頁。深圳醫學科學院供圖

據介紹，CryoSeek數據庫除了具備傳統數據庫的查閱、檢索、上傳、下載功能外，還將集成全球社區、實用工具、教學訓練等多種功能。

“作為CryoSeek從方法創新走向系統化、規模化與社區化的重要載體，該數據平台將為糖結構生物學及相關結構領域的前沿發現提供持續動力。”顏寧表示，期待通過這一開放平台，與全球科學家共同繪制“生命暗物質”新世界的航海圖。

從發現“新物種”到確定“新功能”，復雜糖質的“廬山真面目”日漸清晰

採用“酷尋”策略，顏寧團隊小試牛刀，於2024年、2025年在《美國科學院院刊》相繼發表論文，報道了在清華大學荷塘的水樣中發現的全新蛋白絲和第一次被揭開面紗的糖纖維TLP-4。

今年4月20日，顏寧團隊在《細胞》子刊《細胞—化學生物學》發表的論文中，又報道了來自同一荷塘水樣中另外5種新型糖纖維——TLP-0、TLP-2、TLP-3、TLP-4b、TLP-IPT，解析出的結構分辨率在0.3納米左右，構建了糖纖維從“蛋白質為主”到“無蛋白純糖”的連續結構譜系。純糖纖維TLP-0的發現尤其令人激動。“這表明，糖類本身就具備形成復雜、有序的高階結構的能力，顛覆了‘蛋白質是生物結構主要載體’的傳統認知，為糖生物學（Glycobiology）開辟了新的研究方向。”顏寧說。

今年4月24日，發表在《科學》上的最新研究進展中，顏寧團隊以年輕的博士生黃雋豪為主力、與清華大學閆創業團隊合作，取得了更令人振奮的成果：獲得了整體糖質分辨率約0.2納米（一根頭發絲的40萬分之一）、核心局部最高達0.18納米的超高分辨率三維電鏡密度圖，不僅清晰實現了對天然糖質從化學組成到空間構象的直接觀測，提出了“糖質縫合”“糖質橋”和“糖質島”等系列新型糖質組裝元件，發現了諸多在糖環上的修飾並闡明這些修飾與水分子、金屬離子協同幫助糖質折疊的基礎。

在《科學》發表的論文截圖。深圳醫學科學院供圖

顏寧告訴記者：“在這項研究中，我們系統揭示了糖質在生物大分子高級組裝中的結構性作用，為復雜糖質及其高級結構的發現、鑒定、計算化學、工程化利用提供了新的方法學框架，標志著糖質結構生物學正進入原子分辨率解析的新階段。”

與此同時，由顏寧實驗室博士后陳晟開發的AI自動建模工具EModelG，把糖質結構建模的效率從傳統手動建模的幾星期提升到自動建模的半小時。這一工具推動冷凍電鏡糖質結構建模從高度依賴人工經驗向自動化、標准化和高通量方向發展，為天然糖質的大規模結構研究提供了方法學支撐，並降低了復雜的專業門檻，可以令不同學術背景的更多研究者有效參與進來。

協同創新，力爭早日實現從基礎研究到應用開發的跨越

值得一提的是，在該論文於國際期刊正式發表之前，顏寧團隊提前幾個月將成果公開發布在由深圳醫學科學院聯合深圳灣實驗室、清華大學、西湖大學建設的“浪淘沙”預印本平台（Langtaosha.org.cn），第一時間與國內外同行分享研究的核心發現、技術方法與原始數據，以加快推進相關研究。

“浪淘沙”預印本平台網頁。深圳醫學科學院供圖

一花獨放不是春，百花齊放春滿園。顏寧表示，與核酸、蛋白質相比，糖質生物學的研究還是“萬裡長征第一步”，前面是更為廣闊的星辰大海，需要國內外同行攜手努力。

基礎發現將指引應用前沿。據悉，顏寧正在與國內相關團隊合作，探討多種潛在的開發圖景：找到合成這些糖質的新型生物酶，把這些生物酶變為有用的工具酶，助推合成生物學研究和相關產業發展﹔開發分子仿生學新方法，探索新型高分子材料的設計、合成與應用﹔通過生物學手段探索更加高效的固碳新路徑，助力環境治理……

“我們希望能夠早日解開糖質的折疊密碼。”展望未來，顏寧說，“期待有一天能像研究蛋白質那樣揭示糖質序列與結構的對應關系，並據此設計具有各種功能的復雜多糖，深化對生命的理解，並開辟新藥研發等產業應用的新賽道。”