豆科凝集素是豆科植物所產生的一種蛋白質，專門與各種聚醣分子結合，在豆科植物體內扮演防禦掠食或訊號傳遞的角色。有些豆科凝集素（例如蓖麻毒素 ricin）毒性極強；而另一些（例如刀豆凝集素A, ConA）則被開發出多種生醫用途，成為醣生物學與醫學研究中的重要工具。
然而，長久以來科學界一直面臨一個難題：在實驗室裡表現製造「具有活性」的重組豆科凝集素困難重重。如果無法取得具有活性的重組蛋白，科學家就很難深入研究這些蛋白的特質，或是用分子生物學方式改造它們讓它們更符合研究與應用需求。
這個原因在於，許多豆科凝集素在植物體內並不是一被生產出來就具有活性的。它們通常先是以「先驅凝集素（pro-lectin）」的形式被製造出來，之後還要經過一系列複雜的轉譯後修飾（post-translational modification）步驟，才會變成真正具有活性的蛋白質。從植物本身角度來看，這機制其實有它的道理。凝集素既然對吃植物的動物有毒，想必滯留在植物細胞質內也會傷害植物本身。因此植物在製造凝集素時會先把它們製做成不具活性的先驅物，運送到能安全儲存的胞器後再進行活化。這個從植物角度看似理所當然的機制，卻成了實驗室生產蛋白的大麻煩。因為當研究人員想要表現這些蛋白時，通常只能得到不具活性的先驅凝集素，而不是有活性、真正成熟的凝集素。
為了解決這個難題，中央研究院基因體中心馬徹研究員帶領著他的團隊一同挑戰大自然的規則，第一步就是要找到活化先驅凝集素的關鍵轉譯修飾步驟！研究人員使用冷凍電子顯微鏡（cryo-electron microscopy）解析白扁豆（Lablab purpureus）先驅凝集素蛋白FRIL的蛋白結構，得到的結果相當令人意外。在原本蛋白與醣結合的位點上，竟然已經先被卡了一個聚醣分子！這顆聚醣不是研究人員外加的，而是直接長在凝集素蛋白上的「原住民」，這種現象被稱為「自體配體（self-ligand）」。由於這顆自體聚醣佔據了原本用來結合外來醣分子的空間，使得蛋白無法發揮正常功能而處於無活性狀態。這顆自體聚醣可以被想像成手榴彈上的插銷—在扔手榴彈前必須先拔掉插銷，才能讓手榴彈啟動。
知道先驅凝集素沒有活性的原因之後，團隊嘗試使用各種方法移除這顆自體醣分子。最後發現一個名為「PNGase F」的去醣酶最有效。經過 PNGase F 的處理，白扁豆先驅凝集素（pro-FRIL）順利轉變為具有活性的白扁豆凝集素（FRIL）。不僅如此，來自刀豆的先驅凝集素（pro-ConA）也可以如法炮製使其活化。這表示這套活化方法很有可能適用於多種豆科植物的先驅凝集素，也等於解決了多年來困擾研究人員的一個技術瓶頸（圖一）。
圖一、植物天然生產（上）及實驗室重組蛋白（下）先驅凝集素之活化步驟
順利取得具被活化的重組 FRIL 之後，馬徹團隊開始進行一系列有趣的實驗：修改凝集素的蛋白質胺基酸序列，看看這對活性有什麼影響。他們發現，當直接修改參與聚醣結合的胺基酸時，大多數情況下會讓凝集素失去功能。其實這結果原本就符合研究團隊的預期，並沒有多大的驚喜。然而有趣的是，在FRIL蛋白上一塊被稱為「Loop B」的區域進行修改時，結果卻與預期大大不同！原本FRIL 在聚醣方面主要辨識的是「複合型N-聚醣（complex-type N-glycans）」。但當Loop B 上的某些胺基酸被替換掉後，這個凝集素不但沒有失去功能，反而開始能夠辨識「寡甘露醣型N-聚醣（oligomannose N-glycans）」。隨著進一步的修改與插入不同的胺基酸殘基，馬徹博士團隊慢慢引導凝集素去偏好與寡甘露醣型N-聚醣結合。最後，團隊發現替換掉三個殘基以及另外插入兩個殘基能完全讓凝集素轉變為只辨識寡甘露醣型 N-聚醣，而非原來的複合型 N-聚醣。研究團隊將這個改造版的FRIL凝集素命名為「寡甘露醣專一型 FRIL（oligomannose-specific FRIL）」，簡稱 FRIL-OMS（圖二）。
圖二、原始FRIL（上）及改造版FRIL-OMS（下）凝集素之聚醣辨識差異
這除了是一系列有趣的實驗之外，也有實際應用價值。豆科凝集素在生物科技領域用途相當廣泛，例如醣蛋白（glycoprotein）分離、凝集素微陣列分析（glycan array），以及外泌體（exosome）相關研究。而本研究的著重點白扁豆凝集素FRIL也具有抗流感與抗新冠等功能（研究報導：白扁豆萃取蛋白可阻斷新冠病毒入侵）。若能以重組方式穩定生產具有活性的凝集素，不僅能降低不同植物來源帶來的差異性，也能大幅提升應用上的一致性與可控性。從更宏觀的角度來看，科學界對蛋白與蛋白之間的互動已經有一定程度的了解，但蛋白（凝集素）與聚醣分子之間的互動仍有許多未解之處。凝集素的聚醣辨識能力往往與疾病息息相關，例如 H5N1 禽流感病毒跨物種傳播力，所以從事這方面的研究也是當務之急。馬徹博士團隊這次透過深入了解凝集素如何靠少數部位胺基酸序列的改變就能辨識不同聚醣分子，讓我們對蛋白質跟醣類的互動有進一步認知，也對未來生醫應用開啟更多的可能性。
本研究成果發表於最新一期《自然通訊》（Nature Communications）期刊，共同第一作者為本中心博士後研究員劉佑民及阮薇薇；其他共同作者包括現任中心博士後研究員甘慈珺；前中心研究副技師任建台；以及曾於中心參與研究之博士後研究員陳曉蕊、廖國祥、羅婕玲，與研究助理夏赫德、陳亭樺等。論文全文「Altering the Carbohydrate-Binding Specificity of the Legume Lectin FRIL Through Structure-Guided Engineering」可於線上閱讀：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70188-7