【ACS Macro Letters】復旦大學陳國頌：過去十年的碳水化合物高分子

碳水化合物是自然界中含量最豐富、最重要的生物大分子之一。儘管碳水化合物這個詞聽起來很簡單，而且歷史悠久，但它涵蓋了非常廣泛的研究範圍，並在不同的研究學科中進行了擴展。 在過去的十年中， ACS Macro Letters 一直是從聚合物的角度發表與碳水化合物相關的研究論文的優秀平臺。迄今爲止， 該期刊 已發表了 120 多篇與碳水化合物聚合物概念相關的論文。 這些論文可以分爲不同的主題（圖 1），從新的碳水化合物聚合物或多糖的合成、物理學和自組裝到各種應用，包括靶向遞送、複合物、免疫調節等。在這篇社論中，不同的主題ACS Macro Letters 上發表的涉及碳水化合物相關論文的論文將進行總結，爲評估碳水化合物聚合物領域的最新研究提供一種方法。上述主題不包括可以顯示出令人印象深刻的用途範圍的多糖基材料，例如那些包括纖維素的材料，這是該領域的一個極其重要的方面，值得單獨討論。

圖 1. (a) 過去十年 ACS Macro Letters 上發表的碳水化合物聚合物的標題和摘要中使用的關鍵字詞雲。這個詞的大小反映了它出現的出版物數量。（b）按不同類型的碳水化合物聚合物分類的論文數量。

與碳水化合物相關的聚合物大致可分爲三類（圖 2）：（a）自然界中發現的多糖，通常爲均聚物或雜聚物，包括纖維素、糊精、瓊脂糖等；(b) 天然衍生的合成多糖，它是含有碳水化合物主鏈的聚合物，通過開環聚合或其他方法與由天然糖類製成的單體制成；(c) 糖聚合物（包括糖肽），它們是以單糖或寡糖作爲側基的合成聚合物。ACS Macro Letters 發表了幾篇關於天然衍生的合成多糖和糖聚合物的新型合成的重要論文。

圖 2. 該 社論中討論的不同類型的碳水化合物聚合物（每個結構都有參考標記）。

從聚合物物理學的角度來看，天然糖苷鍵和羥基使碳水化合物聚合物成爲一個有趣的平臺。 環狀或環狀聚合物也具有有趣的拓撲結構和物理性質，其中鏈剛度的貢獻不容忽視。Terao 等人報道 了 環狀直鏈澱粉爲研究鏈剛度對環狀聚合物的影響提供了機會，因爲可以通過酶促製備具有超過 100 個吡喃糖單元的環狀聚合物。吡喃葡萄糖苷的 2、3 和 6 位遊離羥基轉化爲三（苯基氨基甲酸酯）導致鏈剛度顯着增加，因爲庫恩長度從環狀直鏈澱粉的 4 nm 變爲環狀直鏈直鏈澱粉的 16-22 nm（ 苯基氨基甲酸酯）（圖 3）。

圖 3. 環狀直鏈澱粉的庫恩長度變化。

碳水化合物聚合物，特別是糖聚合物的應用，在過去十年中引起了極大的關注。 這些功能可以粗略地分爲作爲靶向劑的聚合物上的碳水化合物部分，主要是因爲它們能夠結合蛋白質和/或充當親水殼。Reineke 等人報道了具有親水性糖聚合物外殼的複合物。用 pDNA 和聚（2-甲基丙烯酰胺-2-脫氧葡萄糖）修飾的星形聚酰胺胺。此外，由糖聚合物形成的複合物用於致癌表皮生長因子受體沉默。糖聚合物的蛋白質（或碳水化合物）結合功能已被用於不同的應用，包括凝集素傳感、探測碳水化合物-碳水化合物相互作用（圖 4）、消除病原菌、靶 向 HepG2 細胞等。

圖 4. Gibson 等人報道的熱觸發探測碳水化合物-碳水化合物相互作用的封面藝術。

雖然術語碳水化合物是一個簡單的名稱，但它涵蓋了極其大量的大分子。自然界中存在大量多糖並以物質形式發揮作用，其中以纖維素最爲豐富。納米纖維素，包括纖維素納米晶體 (CNC)，是一個引起很多興趣的話題，部分原因是其晶體結構的堅固性（圖 5）。此外，雖然表面羥基是碳水化合物聚合物中的主要官能團，但它們可以被修飾以在 CNC 表面獲得羧酸鹽、硫酸鹽半酯和胺，從而爲材料製備和性能提供更多的多功能性。例如，基於羧酸鹽或胺改性的纖維素納米晶體的質子化/去質子化製備了 pH 響應纖維素納米晶體凝膠和納米複合材料。其他碳水化 合物聚合物天然含有這些功能。例如，結冷膠水凝膠的宏觀特性已經通過這些羧酸官能化多糖的剛性纖維狀四級結構進行了調節，這些結構是由二價離子誘導的。

圖 5. 封面圖顯示了結晶纖維素中纖維素的分子鏈。

相關論文以題爲 The Past Ten Years of Carbohydrate Polymers in ACS Macro Letters 發表在《 A CS Macro Letters 》上。 作者 是 復旦大學 陳國頌教授 。

參考文獻 ：

doi.org/10.1021/acsmacrolett.1c00526