《The Cell Surface》：Fucoidans: a new frontier in brown seaweed research and biotechnology
岩藻多糖（Fucoidans），也称为含岩藻糖的硫酸化多糖（Fucose-Containing Sulfated Polysaccharides, FCSPs），是褐藻细胞壁中丰富且结构复杂的聚糖。这些化合物在褐藻的发育和生理过程中具有基础性作用，对海洋碳封存有重要贡献，并展现出多种生物活性。尽管如此，研究人员目前对参与岩藻多糖合成和重塑的代谢途径和酶、其在褐藻和海洋环境中的时空动态，以及其结构和组成如何影响其生物活性的理解仍然有限。在此，研究人员强调了阻碍岩藻多糖研究进展的一些挑战。随后，研究人员指出了近期的一些技术进展和新资源，这些资源若结合使用，将有助于缓解这些挑战。这包括分析化学和糖生物学的新技术方法，以及褐藻基因组资源和遗传工具的扩展。最后，研究人员提出，岩藻多糖研究的进展将有助于加深对褐藻生物学的理解，同时支持当前和开发岩藻多糖应用及海藻生物技术的新方向，作为不断增长的蓝色生物经济的一部分。
1. 为什么需要进一步研究褐藻的硫酸化多糖？
海藻（seaweed）或大型藻类（macroalgae）是一种丰富但尚未充分利用的生物质，具有应对当前全球挑战的巨大潜力，包括气候变化、全球粮食需求以及对天然生物活性化合物日益增长的需求。海藻养殖正在扩大，年产量超过3800万吨（FAO, 2024）。此外，全球范围内海藻水华和入侵现象增加，例如自2011年以来影响加勒比海和西非的马尾藻（Sargassum）反复爆发（Marsh et al., 2023）。尽管海藻在社会中的重要性日益增加，但研究人员对其生物学（包括基本初级代谢）的了解仍然有限，迫切需要填补这一知识空白。
大型藻类栖息在高度动态的生态系统中，多次分子进化事件塑造了它们的代谢网络。一个关键的例子是海藻细胞外基质（extracellular matrices, ECMs，或细胞壁）中细胞表面聚糖的生物合成和重塑。这些多糖是主要的结构性和功能性化合物，也是工业上利用的化合物，是创新的热点。其中，褐藻产生的含岩藻糖的硫酸化多糖（FCSPs或岩藻多糖）迄今为止研究起来非常困难。岩藻多糖约占这些生物总干重的9-14%（Nikoli?-Chenais et al., 2022; Birgersson et al., 2024）。这些多糖代表了一类复杂的阴离子大分子混合物，包括具有硫酸化岩藻糖残基主链结构的岩藻聚糖（fucans）同聚物，以及含有非岩藻糖主链（包括硫酸化和非硫酸化半乳聚糖（galactans）和葡糖醛酸甘露聚糖（glucuronomanans））并带有硫酸化岩藻糖侧链的异质聚合物（Deniaud-Bou?t et al., 2017）。岩藻多糖在褐藻中介导多种生理功能，如细胞抗干燥能力（Moebus et al., 1974）、细胞粘附（Brawley and Quatrano, 1979）、细胞伸长（Bisgrove and Kropf, 2001; Siméon et al., 2020）、细胞分化和细胞命运决定（Kropf et al., 1993; Berger et al., 1994）。FCSPs组成的变异受物种、地理位置和非生物因素等影响（Ponce and Stortz, 2020）。岩藻多糖的生物活性，包括抗病毒（Schaeffer and Krylov, 2000; Ponce et al., 2003; Ahmadi et al., 2015）、抗癌（Atashrazm et al., 2015; Wu et al., 2016; Teas and Irhimeh, 2017）、调节免疫反应（Kopplin et al., 2018; Birgersson et al., 2024）和止血特性（Ustyuzhanina et al., 2014; Mour?o, 2015; Zaporozhets and Besednova, 2016），已被了解和讨论数十年（Deniaud-Bou?t et al., 2017）。与此一致，根据当前市场增长报告，岩藻多糖市场规模预计在未来几年将显著增长。最近，褐藻分泌岩藻多糖作为二氧化碳去除的潜在机制引起了关注（Buck-Wiese et al., 2023）。这些多糖被认为在海洋沉积物中持久存在且难以降解，因为该过程需要仅存在于高度特化生物中的复杂分解代谢途径（Sichert et al., 2020; Pérez-Cruz et al., 2024），并受磷酸盐可用性影响（Xu et al., 2026）。
褐藻中岩藻多糖的结构和生物学作用让人联想到哺乳动物中的硫酸化糖胺聚糖（sulfated glycosaminoglycans, GAGs）。GAGs是一类共价连接在多个核心蛋白上的长直链硫酸化多糖（Rudd et al., 2010）。这些蛋白聚糖包围所有哺乳动物细胞表面，并驱动多种基本细胞功能，与上述岩藻多糖类似。它们的多功能特性主要由各自的GAG部分介导，包括不同的单糖组成和硫酸化模式。GAG链的结构差异由相应的生物合成机制酶促生成并严格调控。其硫酸化模式具有细胞类型和发育阶段特异性，作为动态模板促进或抑制特定的细胞相互作用和信号事件。硫酸化模式的破坏可能导致严重的发育异常和多种癌症类型的生长（Wieboldt and L?ubli, 2022）。如上所述，关于FCSPs及其衍生寡糖（FCSOs）所持有的生物活性的科学文献非常丰富，其中大多数源于它们模拟GAGs碳水化合物部分的能力。
有趣的是，多糖（如岩藻多糖和GAGs）的硫酸化让人联想到其他众所周知的具有生物学重要性的调控过程，如蛋白质磷酸化和核酸甲基化。磷酸化是蛋白质最常见的翻译后修饰，是生物系统生化事件链中普遍且关键的环节（Cohen, 2002）。类似地，DNA甲基化的第一个生物学作用是从细菌研究中推断出来的，随后扩展到真核生物系统的全面研究（Mattei et al., 2022）。相比之下，关于所有生物中天然存在的聚糖硫酸化修饰的了解则少得多（Lima et al., 2022）。在此背景下，增进对褐藻岩藻多糖的了解将有助于更好地理解真核生物中的聚糖硫酸化，甚至可能揭示与磷酸化和甲基化的相似之处，表明硫酸化代表了第三种很大程度上被忽视的分子调控机制。
尽管岩藻多糖在藻类生理学和作为生物活性物质中具有关键作用，但研究人员目前对FCSPs含量和结构如何随环境条件变化、这些变化如何影响其生理作用，以及它们如何在褐藻中合成，了解有限。这种知识匮乏的原因包括：成功驯化的物种数量有限，阻碍了在受控条件下培养藻类的细胞壁研究；由于岩藻多糖的多分散性，提取纯岩藻多糖分子困难；以及直到最近，褐藻缺乏基因组数据和遗传技术。FCSPs仅在少数褐藻的寡聚阶段被研究，仍然缺乏可靠的结构信息。此外，对褐藻中FCSPs/FCSOs的酶促生物合成和重塑了解甚少。研究人员认为，现在是时候通过考虑藻类科学的日益增长的兴趣、新资源和技术方法的进步，以及通过协同和跨学科研究，来解决这些基础研究知识空白。揭示褐藻岩藻多糖代谢的分子基础，同时评估这些化合物的结构-关系及其体内时空变化，不仅对于扩展对生命规则的理解是必要的，而且对于促进海藻生物技术和支持蓝色生物经济也是必要的。
2. 走向岩藻多糖多样性和结构的深入表征
聚糖是自然界中最复杂的生物分子之一（Laine, 1994）。它们在长度、单糖单元及其组合和连接方式上有所不同。聚糖还具有不同类型的分支和官能团，并可进一步被非聚糖实体修饰。许多聚糖结构的复杂性需要一系列不同的方法进行分析和结构解析。FCSPs也不例外，其复杂性和多样性对其结构解析构成了挑战。在过去二十年中，已经开发了许多不同的技术用于聚糖和糖缀合物的提取和分析。
大多数传统的岩藻多糖提取方法依赖于在温和酸性条件下或在热水中孵育生物质数小时，温度在70-100°C之间。然而，获得长链且未修饰的FCSPs纯化组分很少实现，主要是因为延长提取过程以提高效率会导致聚合物部分降解和/或部分脱硫酸化（Flórez-Fernández et al., 2018; Birgersson et al., 2023）。在此背景下，最近采用了酶辅助提取方案，使用纤维素酶（cellulases）、褐藻胶裂解酶（alginate lyases）和蛋白酶（proteases）等酶来降解褐藻细胞壁。研究表明，当在相同生物质上平行测试时，化学和酶法都产生了具有不同FCSPs含量、组成和纯度的组分（Nguyen et al., 2020; Machado et al., 2022; Birgersson et al., 2026）。提取后，FCSPs可以通过阴离子交换色谱进行分级，不同级分通过尺寸排阻色谱（size-exclusion chromatography, SEC）结合多角度光散射（multi-angle light scattering, MALS）分析以估计其分子量和异质性。同时，对级分进行组成和元素分析，以确定单糖含量和FCSPs的硫酸化程度。气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry, GC–MS）分析部分甲基化和乙酰化的糖醇也已被用于确定非硫酸化聚糖的糖苷键（Bajwa et al., 2024）。然而，这些方法仅提供了对FCSPs结构的有限见解，改进聚糖注释是研究和理解聚糖结构关系的关键。
FCSPs的高分辨率结构信息，包括碳水化合物羟基的立体化学和糖苷键，以及修饰和连接的程度和位置，可以通过核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）波谱和质谱（Mass Spectrometry, MS）获得。NMR波谱提供原子级分辨率，并已用于阐明聚糖的结构组成，以及在一定程度上其三维结构。对于聚糖寡聚体（6-10聚体），可以实现化学位移分辨率，以唯一分配寡聚体中的每个原子。然而，对于更长的寡糖，单糖组成、糖苷键、分支和化学修饰（如硫酸化、乙酰化和糖基化）等因素可能导致微小的化学位移差异合并在一起。FCSPs缓慢的分子翻滚，意味着其由于分子尺寸大而动态行为降低，导致谱线展宽和原子分辨率损失。对于FCSPs，通过脱硫酸化、脱乙酰化和受控降解来降低结构复杂性，有助于确定几种褐藻物种的主链和侧链结构（Bilan et al., 2010 and 2017; Usoltseva et al., 2017; Bilan et al., 2018）。此外，去除硫酸基和乙酰基允许通过甲基化进行连接分析，从而确定糖序列中的连接位置，并有助于表征FCSPs的未修饰（“裸露”）结构（Bilan et al., 2010 and 2008）。最近，通过NMR波谱识别并完全阐明了FCSPs中的重复结构基序，提供了对在原本随机硫酸化和乙酰化的FCSP结构中存在规则和重复结构碎片的见解（Tran et al., 2022; Trang et al., 2025; Reyes-Weiss et al., 2026）。碳水化合物-NMR数据库（如GlyNest（Lütteke et al., 2006）和CASPER（Dorst and Widmalm, 2025））的开发，其中包含各种聚糖的实验
1H和
13C NMR化学位移，对于模拟和验证寡糖结构至关重要。然而，预测能力仍然局限于较小的寡聚体片段，尽管使用机器学习算法的进展正在出现。目前，没有针对含岩藻多糖的硫酸化寡聚体/寡糖（FCSOs）的NMR数据库，尽管已发表了许多不同4-5聚体FCSOs的信息（Bezerra et al., 2020; Shen et al., 2020; Tran et al., 2022; Liu et al., 2023; Shen et al., 2024; Chen et al., 2025; Trang et al., 2025）。建立一个包含化学定义明确的FCSOs的NMR数据库，将能够创建
1H,
13C HSQC（异核单量子相干）指纹图谱谱库，促进快速准确地识别FCSO结构。
固态NMR（solid-state NMR, ssNMR）和动态核极化（dynamic nuclear polarization, DNP）的最新进展使得即使在没有
13C标记的情况下也能研究植物细胞壁结构（Wang et al., 2016; Zhao et al., 2021; Kirui et al., 2022; Cresswell et al., 2025）。类似的方法可以应用于褐藻细胞壁，以分析其天然多糖组成和组织，而无需提取，从而允许对富含褐藻胶、纤维素和岩藻多糖的复杂基质进行结构研究。使用多维（2D/3D）相关实验，ssNMR可以识别多糖之间的分子间相互作用和空间邻近性，类似于植物细胞壁的研究（Wang et al., 2016）。它还提供了对聚合物构象、结晶度和动态的见解，突出了岩藻多糖在细胞壁中与其分泌形式相比的潜在结构作用。此外，ssNMR可以探测多糖与其他成分（如多酚）之间的相互作用，这些多酚已被观察到与提取的FCSPs共价结合（Birgersson et al., 2026），类似于陆地生物质中的木质素-碳水化合物相互作用（Kang et al., 2019; Cresswell et al., 2025）。总之，这些方法使ssNMR成为阐明岩藻多糖在褐藻细胞壁中结构作用的强大工具。
质谱（MS）是一种极其灵敏的技术，可从微量样品中提供高分辨率的结构信息。基于MS的方法已被考虑用于表征岩藻多糖，特别是MALDI-TOF（基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱）、AP-MALDI-Orbitrap（大气压基质辅助激光解吸电离源与Orbitrap质量分析器联用）和ESI-MS（电喷雾电离质谱），以获取单糖组成、单糖序列、连接基团和硫酸化模式的信息（Anastyuk et al., 2015; Zayed et al., 2020; Sichert et al., 2021）。MALDI-MS中寡糖的检测上限约为2 kDa，此时片段仍可被可靠注释（Reyes-Weiss et al., 2024）。然而，聚糖通常不能有效电离。通过将MS与分离技术（如离子对反相液相色谱（ion-pair reversed-phase liquid chromatography, IP–RPLC））耦合，已解决了硫酸化岩藻聚糖的这一问题（Nikoli?-Chenais et al., 2022; Ropartz et al., 2022），这也允许研究低丰度的FCSP结构。使用MS方法分析岩藻多糖存在局限性，包括与硫酸基团的不稳定性相关的那些。这可能导致在MS分析的样品制备过程中单糖亚基脱硫酸化。然而，最近已开发出先进的碎裂技术，包括针对硫酸化聚糖的。对于FCSPs，已经应用了串联质谱（MS-MS），采用高能氦电荷转移解离（helium charge transfer dissociation, He-CTD）技术，该技术能有效碎裂复杂寡糖，生成跨环碎片，同时保留不稳定的修饰如硫酸化（Ropartz et al., 2022）。高能碎裂方法在硫酸化聚糖方面优于传统的碰撞方法（Ropartz et al., 2015; Klein et al., 2019）。最近，开发了GlycoAnnotateR软件包，用于基于MS数据的从头注释聚糖组成，包括岩藻多糖（Bligh et al., 2025）。
因此，NMR和MS高度互补，结合这两种方法可能会提高研究的整体质量，并增强对FCSP多样性的覆盖。基于MS和NMR生成经验参考数据将使更广泛的社区受益，通过增强对未知FCSP/FCSO结构的表征并将其与生物活性联系起来。然而，这两种分析方法通常需要初始解聚步骤。在某些情况下，NMR仍然可以识别FCSPs中的重复结构基序（Birgersson et al., 2024）。使用酶水解对于FCSPs是理想的，以避免改变硫酸化模式。然而，虽然已表征的降解FCSPs的酶数量在增加，但大多数针对硫酸化岩藻聚糖，其数量尚未与待识别结构的复杂多样性相匹配。
Ectocarpus物种7已被开发为研究褐藻生物学和进化的遗传和基因组模型（Cock et al., 2010; Coelho, 2024）。在此背景下，过去20年对该藻类进行了广泛研究，其生命周期在实验室条件下已得到很好的理解和控制。最近在Ectocarpus细胞中实施基于CRISPR-Cas9的诱变技术取得了重大进展（Badis et al., 2021）。尽管尚未在该物种中研究FCSPs，但从密切相关的Cladosiphon okamuranus（Nagoaka et al., 1999; Sakai et al., 2003）和Chordaria flagelliformis（Bilan, 2008）中获得了一些信息。然而，尚不清楚FCSPs的结构和组成在这些Ectocarpales物种中是否保守或可变。如果考虑采用遗传方法，这一知识空白目前是理解FCSP生物合成和功能的限制因素。具有经济重要性的褐藻物种在其FCSP含量方面得到了更好的探索，例如Saccharina japonica（Jin et al., 2020）、Laminaria hyperborea（Kopplin et al., 2018）、Saccharina latissima（Tran et al., 2022; Birgersson et al., 2024）或Alaria esculenta（Birgersson et al., 2024）。对于这些物种，仅分析了大型且商业开发的孢子体阶段，而非微观配子体阶段。虽然这目前对海藻产业没有影响，但可能限制其未来扩张。事实上，虽然孢子体具有商业开发价值，但目前在欧洲建立的孵化场基于配子体生物库，而关于关键性状（包括利用多糖的产量和组成）的遗传性知之甚少。研究人员对Ectocarpus物种7生命周期两个主要阶段的初步研究表明，FCSP组成在其不同阶段可能差异很大。这种差异与不同结构和/或相对丰度有何关系，正在研究人员的实验室中研究。如果在近乎同形的Ectocarpales中观察到生命阶段的这种差异，那么肯定也可以预期在生命周期进程中具有更强二态性的物种（如Laminariales）中存在这种差异。
除了生命周期不同阶段的变化外，因素如分类学、位置、发育阶段和非生物胁迫也被证明会影响FCSPs的组成和结构（Deniaud-Bou?t et al., 2017; Kloareg et al., 2021）。然而，这些变化通常是在整个藻类植物水平上、在分级细胞壁上报告的，随之丢失了大部分空间和发育信息。因此，发育组织中FCSP结构和大分子构型的微调在很大程度上是未知的。在组织上使用异染性染色不够特异，无法提供聚糖分布的结论性视图（Mariani et al., 1985; Bisgrove and Krop 2001; Mazéas et al., 2023）。抗FCSP单克隆抗体（monoclonal antibodies, mAbs）适用于组织中的表位定位，并建立其结构/功能关系。目前，SeaProbes服务处提供四种针对墨角藻目（Fucales）FCSPs的特异性mAbs，该服务处托管并维持生产褐藻单克隆（Brown Algal Monoclonal, BAM）抗体的细胞系（Torode et al., 2015 and 2016）。尚未针对主要褐藻模型Ectocarpales和Laminariales物种的FCSOs生成充分表征的抗体。
生产新型抗体的补充方法是在褐藻中实施代谢点击标记（metabolic click labelling）以进行完整细胞的糖基成像。事实上，点击化学已被证明可用于追踪生物体内多糖中修饰糖的代谢掺入（Voiniciuc et al., 2018; Anderson et al., 2012; Daughtry et al., 2020）。对于这种方法，将全乙酰化报告分子添加到周围培养基中。在穿过质膜并在细胞内脱乙酰化后，这些报告分子被掺入多糖中。然后可以通过基于叠氮-炔烃环加成反应的荧光探针点击添加来可视化标记的生物聚合物。到目前为止，这种方法很少用于水生物种，但最近已成功应用于绿藻和红藻（Delpont et al., 2025）。然而，并非所有单糖报告分子都能有效掺入（Zhu and Chen, 2017），并且复杂的细胞代谢机制可能将功能化单糖转化为其他产物，导致目标生物聚合物之外的标记（DeVree et al., 2021）。有趣的是，基于代谢标记的新方法正在出现，包括可能结合褐藻中褐藻胶的碳水化合物水凝胶探针（Besten et al., 2025），为探索FCSPs的结构多样性提供了相关的未来途径。
3. 受自然启发的FCSOs生产
在高端应用背景下，对结构明确的寡糖的需求正在显著增长。获得此类FCSOs将推进FCSPs的研究和实际应用：i) 它们将作为未知聚糖结构表征和mAbs表位筛选的标准品；ii) 它们将能够发现和探索参与FCSPs生物合成（糖基转移酶，glycotransferases, GTs）和重塑（磺基转移酶，sulfotransferases, STs；硫酸酯酶，sulfatases, SAs）的酶的底物偏好；iii) 它们将支持用于生物活性测试的FCSOs的生物催化合成。获得结构明确的FCSOs的一种方法，特别是用于研究目的，是通过化学合成生产合成寡糖。通常，由于反应性相近的底物之间反应性的细微差异，碳水化合物链延伸需要先进且耗时的保护/活化/脱保护策略。因此，必须根据每个目标产物定制碳水化合物的偶联，以确保区域选择性和非对映选择性。
基于自动聚糖组装（automated glycan assembly, AGA）的高效方法最近已被描述用于合成生产高达20聚体的FCSOs（Crawford et al., 2024; Chen et al., 2025; Mardhekar et al., 2025）。与自动肽合成相比，目前可用于进一步开发寡糖AGA的具有受控反应性的试剂有限，因此糖基化及随后的分子调节（包括硫酸化）方案的设计和实施仍限于专家。然而，AGA所需分子伙伴反应性的系统预测显著促进了该方法的发展。例如，受体可以用相对反应性值描述符来定义（Cheng et al., 2018），并且温度范围的预测有助于在最佳条件下激活受体（Lin et al., 2024）。此外，使用基于预活化的多组分一锅糖基化已允许合成高达1080聚体的复杂聚糖（Yao et al., 2022）。生物启发活化和有机金属催化剂的使用也丰富了当前的化学工具箱。这允许更好地调节供体和受体之间的匹配，限制保护基团的操作，并增加区域选择性和非对映选择性（McClary and Taylor, 2013; Taylor, 2015; Rao et al., 2023; Warnes and Fascione, 2024; Hao et al., 2025; Sebastian and Loh, 2025）。最近，研究表明，通常在过程结束时引入糖苷上的硫酸基团有助于糖苷偶联的定向，从而增强了化学家可用的广泛资源（Maki et al., 2025）。
除了严格的化学方法外，还开发了复杂碳水化合物的化学酶法合成（Liao et al., 2023; Lin et al., 2024）。生物催化口袋中供体和受体的识别和预定向确保了两种反应实体的活化和非常高的选择性。这导致保护和脱保护步骤的数量大幅减少，以及更可持续的过程。两类酶允许特异性制备岩藻糖基化糖苷。岩藻糖基转移酶（fucosyltransferases）具有高度选择性的优点（Li et al., 2019; Tsai et al., 2019; García-García et al., 2020; Zhong et al., 2021; Ali et al., 2023; Khaled et al., 2025），但需要昂贵的GDP-岩藻糖作为岩藻糖基供体。这一缺点可以通过使用多酶系统来克服（del Amo 2010; Zhong et al., 2021）。例如，唾液酸Lewis X四糖的岩藻糖基化需要六种生物催化剂用于岩藻糖的磷酸化、GDP-岩藻糖供体的合成和转移、释放的ATP和GDP的回收，以及抑制性无机焦磷酸盐的去除。岩藻糖合酶（fucosynthases）是经过突变的水解酶，它们失去了天然的水解活性（岩藻糖苷酶，fucosidase），但保留了在提供合适合成供体时转移岩藻糖基残基的能力。主要供体通常是简单的单岩藻糖苷，即对硝基苯基或氟化物衍生物（Sakamura et al., 2012; Herman et al., 2008）。使用此类岩藻糖合酶已合成了许多用于人类健康目的的含岩藻糖基寡糖（Sakurama et al., 2012; Del Amo et al., 2010; Li et al., 2017; Tsai et al., 2019）。一旦生成，多岩藻糖基链会用硫酸基团进行修饰。
值得一提的是，目前通过化学或化学酶法方法获得的产率较低，在十毫克级别，这适用于实验室研究，但不适用于大规模分析和工业应用。应探索几个方向来改进和增加通过化学酶法方法生产结构明确的硫酸化寡聚岩藻多糖（FCSOs）的产量。首先，岩藻聚糖主链的合成需要更高效和规模化的化学和酶法方法。其次，需要开发3′-磷酸腺苷-5′-磷酸硫酸（3′-phosphoadenosine-5′-phosphosulfate, PAPS）嵌合体和/或设计新型相关催化系统。事实上，现有的底物和多酶系统都很昂贵，不适合高通量实验（Wang et al., 2023）。需要新的分子和酶设计来研究磺基转移酶的区域选择性，以及在大规模上进行有效的化学酶法合成方法。第三，参与FCSPs重塑的褐藻STs的表征将提供用于各种岩藻聚糖主链区域特异性硫酸化的生物催化剂。最后，使用固相支持技术将简化纯化步骤，以获得结构明确的FCSOs。
4. 解锁岩藻多糖生物合成和重塑途径
与基因组、转录组或蛋白质组不同，糖组（glycomes）以非模板方式产生，依赖于时空组织良好的多种酶活性。与GAGs相比，研究人员目前对FCSPs生物合成和重塑的分子基础了解有限，因为尚未有参与这些代谢过程的GTs、STs和SAs被完全生化表征。
2010年第一个褐藻基因组（Ectocarpus物种7）的发表（Cock et al., 2010）为识别编码这三种类型酶的候选基因奠定了基础（Michel et al., 2010）。与FCSPs生物合成和重塑相关的GTs、STs和SAs候选基因被发现属于多基因家族。这些基因的多样性可能反映了组装不同单糖单元及其在不同位置硫酸化的需要。自那以后，褐藻的研究进入了一个新时代，因为大量努力为这些生物建立了新的且重要的遗传和基因组资源。通过最近的Phaeoexplorer项目（https://phaeoexplorer.sb-roscoff.fr; Denoeud et al., 2024）生成的大量基因组资源提供了对该谱系进化历史的见解，包括对其多糖代谢途径的见解。这些新基因组使将GTs、STs和SAs的预测扩展到其他褐藻成为可能，特别是海带（kelps）（Mazéas et al., 2024）。GTs在褐藻中分布于37个家族，基因冗余度低，每个家族平均鉴定出3个基因。一些家族较大，如GT2（平均16个基因）、GT4（16个）、GT31（9个）和GT47（9个）。然而，家族大小并不能预测其参与特定多糖的合成。对岩藻聚糖（fucan）进行了更高级的预测，岩藻糖基转移酶候选基因可能仅限于家族GT10、23、41和74（Mazéas et al., 2024）。这些GT成员尚未被生化表征，因此它们可能参与FCSPs合成仍高度推测。类似地，在褐藻中已鉴定出10个主要的STs直系同源群，但并非所有都预期对碳水化合物底物具有活性。SAs形成一个较小的家族，每个基因组平均有7个基因，全部属于S1_2家族。与GTs一样，尚未有关于STs和SAs的功能基因组学证据发表。事实上，迄今为止阻碍研究褐藻代谢途径的两个主要挑战是：i) 缺乏突变基因和损害代谢功能的遗传方法；ii) 褐藻异源表达效率低，无法支持重组蛋白的纯化以进行生化和结构分析。
重要的是，基于CRISPR-Cas9的方法现在已在Ectocarpus物种7（Badis et al., 2021）、Saccharina japonica（Shen et al., 2023）以及最近在Scytosiphon promiscuous、Laminaria digitata和Undaria pinnatifida（Martinho et al., 2025）中成功实施。然而，这些方法仍需用于解析代谢途径。如上所述，GTs、STs和SAs是多基因家族的一部分，这使得很难预测哪个基因编码参与单糖单元特异性转移和位点特异性硫酸化和/或脱硫酸化的酶。这些酶之间的功能冗余也不应被排除。在此背景下，基于CRISPR-Cas9方法的遗传分析结果目前是不可预测的，应在进行之前指向确定目标酶的特异性。
另一个挑战是在异源系统中表达褐藻基因。到目前为止，大约有50个褐藻基因在异源宿主中表达，其中大多数来自Ectocarpus物种7和S. japonica，可能是因为这两个物种是首批获得高质量基因组的物种。迄今为止使用的主要异源表达系统是细菌大肠杆菌（Escherichia coli）用于后续蛋白质纯化，其他系统也被考虑，包括微生物（Cupriavidus necator、酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae、毕赤酵母Pichia pastoris）和多细胞（拟南芥Arabidopsis thaliana、昆虫细胞）宿主用于功能研究。有趣的是，最近报道了从大肠杆菌中首次纯化来自Ectocarpus物种7的重组GT和ST（Zayed et al., 2025）。然而，重组酶的产量非常有限，并且未对特定底物进行活性测定。人胚胎肾293F（Human Embryonic Kidney 293F, HEK293F）细胞已被证明特别适合表达真核GTs，并代表了一个有前景的平台，用于表征褐藻GTs（Prabhakar et al., 2020）。然而，任何额外的宿主和相关技术，包括在克隆前对目标酶进行建模预测，可能有助于解锁褐藻蛋白的异源表达。
重组蛋白的生化表征，特别是GTs和STs，将涉及使用商业试剂盒测试其对天然和合成寡糖的特异性。反应产物将进一步分析，包括通过NMR和/或MS技术（如上所述），以确定产物的结构。此外，使用定义明确的合成寡糖和/或纯天然FCSOs的糖芯片（glycoarray）将有助于提高筛选GTs和STs酶的通量。这些阵列的使用应与化学功能化的糖核苷酸供体结合，以在转移修饰的糖基残基后直接检测受体（Ruprecht et al., 2020）。虽然尚不清楚此类非天然供体能否被酶有效接受，但包括炔基和叠氮基修饰在内的小修饰通常被GTs良好耐受，正如之前在细菌（Dumont et al., 2012）、哺乳动物（Briard et al., 2018）和植物（Ruprecht et al., 2020）的代谢聚糖标记研究中所观察到的那样。
5. 增进岩藻多糖知识以造福社会
更好地理解岩藻多糖代谢以及开发这些多糖的分析工具将对不同的研究流产生积极影响，包括在医学和制药应用背景下更好地理解其结构-功能-生物活性关系以开发调控疗法，评估其在海洋碳循环中的重要性，以及发展海藻生物技术。
5.1. 医学应用 - FCSPs/FCSOs的结构-生物活性-功能关系和质量
源于其模拟硫酸化GAGs的能力，FCSPs/FCSOs展现出广泛的生物活性，受其单糖组成、分子量和硫酸化模式调节。众多综述提供了FCSPs/FCSOs生物学特性的全面视图，读者可参考这些资源以获取专门信息（Deniaud et al., 2017; Torres et al., 2020; Zayed and Ulber, 2020; George and Shrivastav, 2023; Zheng et al., 2025）。例如，观察到低分子量岩藻多糖的抗炎和抗氧化活性随硫酸盐含量增加而增加，而抗脂肪生成活性降低（Chen et al., 2021）。对于褐藻，只有使用纯的且定义明确的FCSOs时，才能建立结构-功能关系。尝试获得足够数量和一致性的天然FCSOs需要扩大提取规模，并开发/调整适当的环境友好型可重复方案（Chadwick et al., 2025）。替代方案是使用通过上述化学或化学酶法方法获得的定制FCSOs，这应优先考虑以推进对结构/功能关系的理解。
最近描述了58种合成寡聚岩藻聚糖（oligofucans）的抗凝血活性评估，这些寡聚岩藻聚糖带有α-1,3-连接或交替的α-1,3-和α-1,4-连接，以及各种硫酸化模式（Chen et al., 2025）。结果表明，只有一组结构选择性抑制内源性凝血途径，其中2,3,4-O-三硫酸化寡糖具有强抗凝血作用。在另一项研究中，低分子量岩藻多糖类似物的化学合成及其对乙酰肝素酶（heparanase）和SARS感染活性的测试表明，不含硫酸基团的岩藻多糖衍生物对乙酰肝素酶无抑制活性，且对SARS-CoV-2-S蛋白亲和力低（Sugimoto et al., 2025）。相比之下，所有羟基都被硫酸化的岩藻多糖衍生物显示出高的乙酰肝素酶抑制活性和对SARS-CoV-2-S的高亲和力。之前探索了另一种方法，以更容易获得合成硫酸化寡聚岩藻糖苷并模拟天然多糖，依赖于生产具有明确硫酸化模式的多重呈现硫酸化岩藻糖基单元的糖聚合物（glycopolymers）（Fan et al., 2018）。这些合成模拟物对甲型流感病毒的增殖显示出抑制活性，其活性与其硫酸化模式有关，而非硫酸化程度。例如，在岩藻糖基单元上带有2-OH硫酸化的模拟物抑制了H1N1和H3N2病毒，而带有3-OH硫酸化的模拟物仅抑制H3N2病毒。
对FCSPs/FCSOs结构和功能的新见解可应用于推进治疗发展和糖医学（glycomedicine）。例如，由于使用已知结构的纯岩藻多糖进行体内研究很少，癌症治疗进展缓慢。大多数研究在啮齿动物上进行，通过注射或作为食物补充使用岩藻多糖。对肺癌（Lee et al., 2012; Hsu et al., 2017）、结肠癌（Han et al., 201
