狭義において、グライコバイオロジーは、すべての生物に存在する糖質と糖コートされた分子、すなわち炭水化物の構造、生物学、および進化の研究です。マサチューセッツ工科大学（MIT）で最近開催されたシンポジウムが明らかにしたように、この分野は生命の基礎を形成する要素に対する科学者たちの理解を再形成する可能性のあるルネッサンスの真っ只中にあります。グライコバイオロジーという用語は元々、1980年代に炭水化物化学と生化学の伝統的な研究の融合を記述するために造られましたが、現在でははるかに広範で多分野にわたるアイデアを包含するようになっています。「グライコサイエンス」という言葉は、生物学や化学だけでなく、バイオエンジニアリング、医学、材料科学などに対するその広範な適用を反映し、急速に成長しているこの分野にとってより適切な名前かもしれません。
「これらの糖鎖が健康と疾患において非常に重要な役割を果たしていることがますます明らかになってきています。当初は困難に思えるかもしれませんが、新しいツールの考案や新しい種類の相互作用の特定は、MITの人々が持つ創造的な問題解決能力を正に要求するものです。」とMITのノバルティス化学教授であるローラ・キースリング博士（Laura Kiessling, PhD）は述べています。
身体の糖コート
糖鎖は、基本的な生物学的機能に不可欠な、線形および分岐構造を持つ多様な分子群を含みます。知られている限り、自然界のすべての細胞はこれらの糖分子でコーティングされています。細胞表面の複雑な糖鎖の連鎖から、糖がリピッドやタンパク質に足場のように結合して形成される共役分子に至るまで、それらは生命にとって絶対に基本的です。例えば、キースリング博士は、地球上で最も豊富な有機分子は炭水化物のセルロースであると指摘しています。
「精子と卵子の結合は、タンパク質と炭水化物の間の相互作用によって媒介されます。これらの相互作用がなければ、私たちは存在しないでしょう。」と彼女は言います。
炭水化物や糖質について話すと、ダイエットばかりに気を取られてしまう人もいるかもしれませんが、糖鎖は実際にはそこに存在する最も重要な生体分子の一つです。それらはエネルギーを蓄え、セルロースのように多細胞生物の構造的枠組みを提供し、細胞間のコミュニケーションを媒介し、宿主と寄生体のような相互作用に影響を及ぼし、免疫応答、疾患の進行、発達、生理を形作ります。
「これらの構造のいくつかは、最近まで体内にこれほど豊富に存在していることさえ知られていませんでしたが、生物学における多くの異なる機能を有していることが判明しています。この知識の急速な拡大により、これらの機能が生物学にとってどれほど多様で重要であるかを理解し始めているように感じます。」とMITアンドリューおよびエルナ・ヴィテルビ生物工学教授のキャサリーナ・リベック博士（Katharina Ribbeck, PhD）は述べています。
これらの分子がいかに普遍的で重要であるかをより深く理解することにより、バイオテクノロジーおよび医学分野の研究者らは、病気の原動力を特定するツールとしてグライコサイエンスに注目を向けています。
多くの病状は、体内で糖鎖が生成される方法の欠陥や、糖化（炭水化物がタンパク質や他の分子に結合するプロセス）に関連する問題にリンクしています。それには特定のがんの形態も含まれます。実際、がん細胞は特定の糖タンパク質に自らを包み込むことで、免疫応答を回避することが示されています。
一方で、糖鎖は潜在的な治療薬の源である可能性があります。例えば、世界で最も売れている処方薬の一つである血液凝固阻害薬ヘパリンは、多糖ベースの薬です。
糖鎖と糖鎖結合タンパク質（レクチン）は、脳から腸までの人体の粘膜層を介した微生物の交換にも影響を及ぼしています。粘液から垂れ下がる糖鎖は微生物と相互作用し、良いものを取り込み、問題のあるものの毒性を低減することで、細胞シグナリングを中断したり、病原体が毒素を放出するのを防ぐことによって、その影響を減らします。
古い科学に新しいツール
この「糖コート」は非常に重要であるにもかかわらず、長い間分子生物学者は核酸やタンパク質に焦点を当て、それらをコーティングする糖にはあまり注意を払ってきませんでした。
「分子の機能を調べるためのツールは、糖鎖にはほとんど存在しません」とキースリング博士は言います。
例えば、細胞のDNAやRNAの配列は、その細胞がどのようなタンパク質を作るかを予測するので、科学者は遺伝子組み込みのタグを使用して、タンパク質がどこにあり、何をしているかを追跡できます。しかし、糖鎖の構造は細胞のDNAに明らかにコードされているわけではなく、1つのタンパク質が多様な炭水化物の鎖で飾られることがあります。
さらに、炭水化物が取りうる形態の膨大な多様性と、血流中で迅速に分解される事実は、糖鎖の合成や薬物開発のためのターゲット化を困難にしてきました。したがって、それらを追跡するための創造的な新しい方法が必要です。
それは典型的な卵と鶏の状況です。科学者がこれらの分子が多くの生物学的プロセスにとって重要であることをより深く理解するにつれて、糖鎖の研究のためのより良いツールを開発することに動機付けられ、それによってこれらの分子が行うことができることに関するさらに多くのデータを生み出しています。実際、2022年には、細胞内の分子を追跡する研究で先駆者であるスタンフォード大学のキャロリン・ベルトッツィ博士（Dr. Carolyn Bertozzi ）が、その研究を糖鎖に適用したことでノーベル賞を受賞しました。ベルトッツィ博士はモーテン・P・メルダル博士（Dr. Morten P. Meldal）およびカール・バリー・シャープレス博士（Dr. Karl Barry Sharpless）と賞を共有しました。
しかし、人工知能はこの分野で進化的飛躍を促進する可能性があります。
「私は、グライコバイオロジーが、ほぼ他のどの分野よりもAIの解釈に適していると思います」とリベック博士は説明します。AIが科学者に人間のゲノムと同じように「糖鎖コード」を読むことを可能にするかもしれません。それによって、研究者は糖鎖の構造に関するデータに基づいて、その実際の機能を予測できるようになります。そこから、どのような変化が疾患を引き起こすか、疾患の感受性を高めるかを特定し、最も重要なこととして、それらの欠陥を修復する方法を考案することができます。
相互・横断的取り組み
計算への関心の高まりは、初めからグライコサイエンスを定義してきた固有の学際性を反映しています。
例えば、MITでは、関連する研究がインスティテュート全体で行われています。キースリング博士は、MITを「学際的研究のための遊び場」と表現し、バイオテクノロジー、がん研究、脳科学、免疫学などに応用される分野での重要な進歩を可能にしてきました。
化学科のキースリング博士は、炭水化物結合タンパク質と糖鎖の相互作用が免疫系にどのように影響するかを研究しています。また、彼女はバイオロジカルエンジニアリング科の准教授ブライアン・ブライソン博士（Bryan Bryson, PhD）と、MITとハーバード大学のブロード研究所のコアファカルティであるデボラ・ハング博士（Deborah Hung ,PhD）と共同で、南アフリカの結核菌株の違いをテストするために炭水化物アナログを使用しています。
一方、バイオロジカルエンジニアリング科の助教授であるジェシカ・スターク博士（Jessica Stark, PhD）は、免疫系における糖鎖の役割をよりよく理解するためのアプローチを開拓しています。ホワイトヘッド生物医学研究所のフェローであるトビ・オニ博士（Tobi Oni, PhD）は、膵臓がんにおける腫瘍の検出と標的化のために糖鎖に注目しています。バイオロジーおよび化学の1922年クラス教授であるバーバラ・インペリアリ博士（Barbara Imperiali, PhD）は、バクテリアなどの微生物の細胞を包む炭水化物を研究しており、化学科のマシュー・ショルダーズ博士（Matthew Shoulders, PhD）は、糖鎖がタンパク質の合成と折りたたみに果たす役割を研究しています。
「私たちは、病気と健康に関連するまったく新しい質問に対処し、それに答えるために、学際的な組み合わせを活用することによって、非常にエキサイティングでユニークな位置にいます。この分野自体は新しいものではありませんが、科学、工学、計算の創造的な組み合わせによってMITが特に貢献できることは新しいことです。」とリベック博士は述べています。
写真：ローラ・キースリング博士（Laura Kiessling, PhD）
