撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

冷凍電鏡（cryo-EM）技術(shù)帶來了分辨率革命，讓我們能夠以原子級(jí)的高分辨率觀察并描繪蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。而基于人工智能（AI）的 AlphaFold 等工具實(shí)現(xiàn)了對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的快速且精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。

從歷史上來看，結(jié)構(gòu)生物學(xué)（Structural Biology）一直專注于研究已知物質(zhì)。而現(xiàn)在，結(jié)構(gòu)生物學(xué)正經(jīng)歷著一種范式轉(zhuǎn)變——從靶向結(jié)構(gòu)確定到結(jié)構(gòu)引導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)先前未被表征的生物實(shí)體。而冷凍電鏡的高分辨率能力以及人工智能的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)能力，為探索完全未知的生物實(shí)體提供了前所未有的機(jī)會(huì)。

2024 年 10 月，顏寧院士團(tuán)隊(duì)提出了一種名為CryoSeek（酷尋）的新策略，將冷凍電鏡（cryo-EM）作為一種觀察工具，結(jié)合人工智能（AI）輔助的自動(dòng)建模和生物信息學(xué)分析，來發(fā)現(xiàn)自然界中完全未知的新型生物實(shí)體。

2025 年 10 月，顏寧院士團(tuán)隊(duì)連續(xù)發(fā)表兩篇論文，解析了CryoSeek策略發(fā)現(xiàn)的全新糖纖維結(jié)構(gòu)，并開發(fā)了測(cè)定糖纖維絕對(duì)手性的新算法——Ahaha。

2025 年 10 月 1 日，深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院/深圳灣實(shí)驗(yàn)室/清華大學(xué)顏寧院士、清華大學(xué)李張強(qiáng)、王彤彤等人在預(yù)印本平臺(tái) bioRxiv 發(fā)表了題為：CryoSeek identification of glycofibrils with diverse compositions and structural assemblies 的研究論文。

該研究利用CryoSeek策略鑒定了具有多樣組成與結(jié)構(gòu)組裝的糖纖維，進(jìn)一步展示了 CryoSeek 策略在發(fā)現(xiàn)自然界中未知納米級(jí)生物結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大能力；提供了糖纖維從“蛋白質(zhì)為主”到“純糖”的連續(xù)結(jié)構(gòu)譜系；強(qiáng)調(diào)了糖類不僅僅是簡(jiǎn)單的能量物質(zhì)或修飾標(biāo)簽，它們本身就可以作為信息分子和結(jié)構(gòu)骨架，主導(dǎo)復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)的組裝，這為糖生物學(xué)（Glycobiology）開辟了新的研究方向。

2024 年，顏寧團(tuán)隊(duì)在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表論文，報(bào)道了CryoSeek這一研究策略，該策略利用冷凍電鏡（cryo-EM）從任何可獲取的來源發(fā)現(xiàn)新的生物實(shí)體，并輔以人工智能（AI）輔助的數(shù)據(jù)處理和生物信息學(xué)分析。

顏寧團(tuán)隊(duì)使用CryoSeek策略對(duì)清華荷塘（Tsinghua Lotus Pond，簡(jiǎn)稱TLP）的濾過水樣進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)了豐富多樣的生物大分子，其中長(zhǎng)短、粗細(xì)不一的纖維狀結(jié)構(gòu)在占據(jù)主導(dǎo)地位。例如，其中兩種螺旋糖蛋白纖維——TLP-1a和TLP-1b，直徑約為 8 nm，具有獨(dú)特的形狀和厚度，來自未知物種，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，其很可能是某種細(xì)菌用于物質(zhì)遞送和輔助運(yùn)動(dòng)的菌毛。

在此次發(fā)表的新論文中，顏寧團(tuán)隊(duì)報(bào)道了利用 CryoSeek 策略從清華荷塘（TLP）水樣中發(fā)現(xiàn)的 5種新型糖纖維的高分辨率結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)展示了從完全由蛋白質(zhì)構(gòu)成到完全由糖類構(gòu)成的連續(xù)性結(jié)構(gòu)多樣性，揭示了糖類在生物大分子組裝中前所未有的核心作用。

這 5 種糖纖維分別被命名為——TLP-IPT、TLP-12、TLP-3、TLP-2 和 TLP-0。解析了它們3.0-3.5 ? 分辨率的結(jié)構(gòu)，足以看清原子級(jí)別細(xì)節(jié)，所有這些纖維都被密集的糖殼（glycoshell）所包裹。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了這些糖纖維結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律——中心蛋白質(zhì)成分的比例依次遞減——

• TLP-IPT：由連續(xù)的IPT 結(jié)構(gòu)域（免疫球蛋白樣、plexins 和轉(zhuǎn)錄因子）構(gòu)成，這些結(jié)構(gòu)域被密集的聚糖所包被。

• TLP-12：中心莖為十二肽重復(fù)序列形成的三聚體，編織成 β-折疊帶（富含蛋白質(zhì)）。

• TLP-3：中心莖為三肽重復(fù)序列形成的三聚體（蛋白質(zhì)成分減少）。

• TLP-2：與團(tuán)隊(duì)之前報(bào)道的 TLP-4 類似，僅由二肽重復(fù)序列構(gòu)成單條線性鏈，并在每個(gè)重復(fù)單元的磷酸絲氨酸上進(jìn)行糖基化（蛋白質(zhì)成分極少，更像是糖肽）。

• TLP-0：完全沒有蛋白質(zhì)成分，完全由糖類組裝而成。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，糖介導(dǎo)的相互作用（Glycan-mediated interactions）是所有這些不同纖維能夠組裝起來的關(guān)鍵力量。這也表明了糖類本身就具備形成復(fù)雜、有序的高階結(jié)構(gòu)（high-order structure）的能力，顛覆了傳統(tǒng)上認(rèn)為蛋白質(zhì)是生物結(jié)構(gòu)主要構(gòu)建者的觀念。

這項(xiàng)研究的意義重大，進(jìn)一步展示了 CryoSeek 策略在發(fā)現(xiàn)自然界中未知納米級(jí)生物結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大能力；提供了糖蛋白纖維從“蛋白質(zhì)為主”到“純糖”的連續(xù)結(jié)構(gòu)譜系；強(qiáng)調(diào)了糖類不僅僅是簡(jiǎn)單的能量物質(zhì)或修飾標(biāo)簽，它們本身就可以作為信息分子和結(jié)構(gòu)骨架，主導(dǎo)復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)的組裝。這為糖生物學(xué)（Glycobiology）開辟了新的研究方向。

2025 年 10 月 2 日，深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院胡名旭研究員、顏寧院士，清華大學(xué)王佳偉副教授等在預(yù)印本平臺(tái) bioRxiv 發(fā)表了題為：Absolute hand determination of glycofibrils from natural sources in cryo-EM 的研究論文。

糖科學(xué)領(lǐng)域存在一個(gè)根本性挑戰(zhàn)：難以獲取糖的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，以及由此衍生的絕對(duì)手性（Absolute Hand）測(cè)定難題。該研究開發(fā)并發(fā)布了一種名為Ahaha的簡(jiǎn)單高效算法，專門用于在冷凍電鏡（cryo-EM）中測(cè)定糖纖維的絕對(duì)手性，并已成功應(yīng)用于天然樣品的原子模型構(gòu)建。該算法已作為在線服務(wù)對(duì)外開放，這項(xiàng)研究也標(biāo)志著我們對(duì)糖類這一生命“暗物質(zhì)”的結(jié)構(gòu)研究邁入了實(shí)質(zhì)性的新階段。

糖類與蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)并列為四大生命基本大分子，但相比其他三類分子，我們對(duì)糖的結(jié)構(gòu)和功能機(jī)制的理解仍然非常有限。其瓶頸在于獲取糖的高分辨率三維結(jié)構(gòu)通常非常困難。冷凍電鏡雖然能獲得近原子分辨率的密度圖，但對(duì)于糖原纖維，這些圖像無法直接區(qū)分其“絕對(duì)手性”（即分子在鏡像是“左旋”還是“右旋”）。而確定絕對(duì)手性是構(gòu)建準(zhǔn)確原子模型的必要前提。

該研究提出了一種解決方案——Ahaha，這是一種簡(jiǎn)單、高效的算法，專門用于解決冷凍電鏡中糖原纖維的絕對(duì)手性測(cè)定問題。研究團(tuán)隊(duì)利用 Ahaha 成功測(cè)定了從天然淡水樣本（喀斯特洞穴中的石筍滴水）中分離出的四種糖纖維（TLP-2a、TLP-2f、TLP-2g 和 TLP-2h）的絕對(duì)手性，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了它們的原子模型。這極大地促進(jìn)了對(duì)糖類自身結(jié)構(gòu)的研究。

此外，研究團(tuán)隊(duì)已將 Ahaha 部署為一項(xiàng)在線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，方便全球科學(xué)家使用，訪問地址：https://cryoseek.org/ahaha

這項(xiàng)工作直面糖科學(xué)領(lǐng)域最棘手的技術(shù)挑戰(zhàn)之一，提供了專為糖樣本設(shè)計(jì)的解決方案，突破了天然糖復(fù)合物結(jié)構(gòu)解析的瓶頸。Ahaha算法與CryoSeek策略形成了完美互補(bǔ)，共同構(gòu)成了一個(gè)從發(fā)現(xiàn)生物實(shí)體到解析其高精度原子結(jié)構(gòu)的完整研究路線。這項(xiàng)工作將極大地深化我們對(duì)糖類如何形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)、如何行使功能的認(rèn)知，有望推動(dòng)糖生物學(xué)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。

論文鏈接：

1. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.09.30.679562v1

2. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.09.30.679555v1