糖组学领域内追查黑色死亡瘟疫的踪迹

瘟疫通常可通过抗生素进行有效医治，但仍免不了还有人死于这类疾患。在中国、印度甚至美国的过去几年中都曾出现过个别瘟疫死亡事件。所以尽可能快速检测以提供感染信息很有必要。

2013年9月底，美国的新墨西哥州报道了当年的的第三例鼠疫病例。一名52岁的男子可能通过跳蚤而被感染。此前，已经有一名15岁的少年和一名11岁的女孩对瘟疫检验呈阳性。鼠疫曾是中世纪最为可怕的传染病。在欧洲，地中海周围地区以及中国大约有多达2亿人已经死于这种“黑死病”。这之后瘟疫在欧洲没有再度发生，可是人们对此病仍心存恐惧。

在盎格鲁撒克逊人 ( 日耳曼族群的一支)中，鼠疫被称为“瘟疫”流行病。这种疾病至今都未被根除。2009年，中国青海的子科滩镇由于瘟疫流行而被隔离。同年在利比亚的Tobruk也发生了16例鼠疫病情。2008年马达加斯加也记录了18例鼠疫。2002年，在印度联邦himachal Pradesh也发生了鼠疫流行病。

图1.马克思普朗克MPI胶体与界面研究所的研究小组正在实验室工作。

鼠疫通常由跳蚤从啮齿动物传染给人类。它在啮齿动物中的传播可能比人们所设想的更加普遍。今年在加利福尼亚州发现了患有鼠疫的松鼠，而科学家在北达科他州还发现了成为瘟疫的牺牲品的土拨鼠群。

抗生素提供安全治疗

如果瘟疫流行而不及时治疗，其后果往往是致命的。一种通过耶尔森氏菌鼠疫病原体(Yersinia pestis) 所引起的瘟疫，曾被用于军事目的。因为感染的高风险与感染后的严重程度，它被列为最危险的生物武器类别(A类)。

图2. 鼠疫快速检测的化学反应路径。

如今，抗生素虽然可安全地用于防治瘟疫，但是其死亡率仍高达11%，即使在美国，一些患者得到成功治疗后，还是会可能会面临失去四肢的风险。“瘟疫中求生的最重要的因素是早期发现感染“，马克斯普朗克胶体与界面研究所糖生物学研究小组负责人Chakkumkal Anish医生如是说，“所以我们的工作可以在将来提高瘟疫病人的成活率”。

这位医生是Potsdam-Golm的马克斯普朗克胶体与界面研究所(MPIKG)所长教授Peter Seeberger麾下一个研究小组的成员。该所的研究人员开发了一种廉价且可靠的测试鼠疫耶尔森氏菌的方法。得益于合成糖化学和生物学的研究进展。该领域MPIKG的科学家们都是世界上数一数二的专家。

“时下鼠疫耶尔森氏菌的检出方法一般是基于聚合酶链反应，或传统的表型化方法”，波茨坦马克斯普朗克胶体与界面研究所的Peter Seeberger解释说，“这些检测方法虽然可靠，但却非常复杂、耗时”。

一种替代性的、更快捷的瘟疫检测方法，就是将病原体的表面蛋白通过抗体加以识别。但它的出错率较高，且对相关细菌菌株的选择性较低。

为了达到近于100%安全的结果，就必须从瘟疫斑点上取样，其他体液如尿液是非常不靠谱的。研究人员因此另辟奇径，选择了另一种方式来进行可靠的鼠疫杆菌检测。他们首先跟踪位于鼠疫耶尔森氏菌表面上的脂多糖内适合作为特定性抗原的一类多糖。然后通过若干步骤合成这种复杂的化合物。在此不是完全复制该多糖分子，而是一个由三种糖合成的重要的结构，也即一种特定基元，可以用于准确识别(鼠疫耶尔森氏菌)，而不会与其他革兰阴性菌产生混淆。

糖蛋白作为快速测试的基础

接下来研究人员将糖分子与白喉CRM197蛋白链接用在疫苗中以增强免疫反应。糖分子和蛋白合成的糖蛋白在小鼠体内也会引发免疫反应。研究人员便利用小鼠的免疫细胞来产生鼠疫杆菌的抗体。利用这种抗体可以高精确度地识别鼠疫细菌，且结果不受其他与鼠疫生化相关的细菌的干扰。这其实就是一种鼠疫快速测试。该研究成果可以不同的方式被应用于医疗实践中。

一种方法可将糖蛋白作为抗体的抗原来测试，例如患者的血液，或其他体液样品。该抗原与抗体的复合物可以很容易的用荧光蛋白质来检测。另一种方法可将抗体直接用于感染组织中检测鼠疫病原体。本文还是用荧光蛋白来验证该抗体是否停靠在细菌表面上。

新方法与以前的测试方法相比具有很大优势。开发这样的快检方法是马克斯-普朗克研究人员的另一个工作领域。波茨坦MPIKG虽然像所有的马克斯普朗克研究所一样致力于基础研究，近年来也成立了一些公司。在糖组学领域，国际上对MPIKG Seeberger教授研究领域的命名，其应用开发是迅速的。糖组学研究的是碳水化合物，包括所有的糖在生物学上的作用，毫无实用价值的纯分析性的“兰式科学”。

近年来，研究人员开始研究合成复杂的碳水化合物。“很像孩子们用单个的元件组合成太空飞船模型，”Chakkumkal Anish说，“化学方法的发展也可以对疾病诊断、治疗方法、疫苗接种等发展有所帮助。“基础研究有其自身的价值，“Peter Seeberger先生说，“在糖组学领域我们可以做到直接将研究成果转换成有实用价值的应用技术，正如医疗应用的例子“。

其他快速测试在准备中

在波茨坦和柏林的MPIKG实验室目前正在制备十余种候选疫苗，都应用了类似于快速测试的技术, 将糖分子通过链接与蛋白质结合, 引发免疫反应。这些疫苗不仅包括一些“被忽视了的疾病”，如利什曼病，也包括一些医院里的感染性病原体。

关于糖生物学

聚糖和外源凝集素是微生物细胞壁和细胞膜的重要成分。多数情况下，它们是感染过程中与宿主细胞接触的始点，微生物凝集素或聚糖与宿主细胞上相应受体间相互作用的亲和力较低，但对于第一接触和细胞侵袭是必不可少的。

近年来，先进的酶法和化学合成技术实现了用于生化研究的均匀一致并表征充分的化学结构，从而大大推进了糖生物学研究领域的进程。