在2001年，卡羅琳和她在博士後時期的合作者勞拉·基斯林在《科學》發表的一篇前瞻性綜述性文章，提出了 “化學糖生物學” 的概念。
化學糖生物學的內容主要包括使用合成的天然糖、糖類似物或糖複合物進行糖的性質、結構、功能、代謝、分佈等的基礎研究，以及利用這些分子進行新的診斷方法、抑制劑、藥物和材料開發等的應用研究。從本質上看，它可以被認為是以彼得·舒爾茨（Peter G. Schultz）和斯圖亞特·施萊伯（Stuart L. Schreiber）為代表的在上世紀90年代初浮現出來的化學生物學在糖研究方向上的一個投射和分枝。而在傳承上，卡羅琳也正好是比彼得晚十年加入伯克利的同事，勞拉則是斯圖亞特在耶魯時的博士研究生和彼得在加州理工學院的師妹。
化學糖生物學的應用研究
卡羅琳的科研，可以簡單的以2008為界，在前面的十多年裏，她主要以基礎研究為主，在後面的十幾年裏，她的研究逐漸開始嚮應用傾斜，這個趨勢最明顯的體現就是從2008年開始到現在，她成立7家從事疾病治療和診斷研發的生物技術公司，其中5家是2015年她轉到斯坦福大學後成立的，當然這些公司都是植根於卡羅琳在糖生物學方面的研究心得。
在工業界的激流勇進並沒有耽誤卡羅琳在學術界的成功。她在近年來一直還是糖科學領域的一位風雲人物，研究成果不斷地出現在世界各國的科技新聞中。在獲得沃爾夫化學獎之前，她的名字上一次在新聞版面上高頻率出現的時間也就離現在半年左右，也就是去年的5月份，當時她在《細胞》（Cell）雜誌上發表了一個轟動性的報道，她們的研究結果指向一個驚人的發現，那就是核糖核酸（RNA）上也可能存在糖修飾。
在這篇報道之前，人們對另外兩類重要的生物分子蛋白質和脂類的糖修飾已經發現了幾十年了，變得非常熟悉了。人們也已經知道糖對這兩類分子的修飾，是其在生命活動中通過提供能量發揮調控作用之外，對生命活動發揮調控作用的另一種重要方式。
然而，也許是因為核糖也是一種糖，對於糖和核糖核酸這一類廣泛存在的生物分子的結合，一直沒有什麼人去特別關注過。這也就是為什麼當卡羅琳等人報道了這一個驚人和有趣的發現之後，能夠迅速在國際科學界引起了討論熱潮的主要原因。當然，不可否認的是，在這一意外開闢的嶄新研究方向上，還有很多未解的重要謎團，比如糖的結構、連接方式、生物合成機制以及糖的作用等，這些也許還需要通過很多年大量更加深入的實驗才有可能逐一揭開。
卡羅琳在2021年報道的這個發現雖然非常意外，但是她們使用的研究方法卻依然是她們多年前開發，一直使用至今的一種基於疊氮基團的糖組學的研究方法。
除了喜歡使用疊氮基團進行糖生物學的研究外，卡羅琳還對連接分子（Linker）的使用情有獨衷。這一科研習慣也是從研究生期間就開始了。她最近報道的一個比較有代表性的與免疫治療相關的成果就是使用連接分子實現的。在這項研究工作中，連接分子的作用是將與抗人表皮生長因子受體2抗體（HER2抗體曲妥珠單抗）與唾液酸酶偶聯在了一起。這種結構的分子的設計有利於腫瘤細胞表面過度表達的唾液酸（Sialic acid）的去除。過量的唾液酸可以在腫瘤細胞表面形成一種保護，使其免疫識別受到抑制。在曲妥珠單抗與HER2結合後，以連接分子與之相連的唾液酸酶可以選擇性地從HER2＋乳腺癌細胞表面去除唾液酸，從而使免疫細胞能夠通過抗體依賴性細胞毒性（ADCC）更有效地殺死這些腫瘤細胞。
使用類似的策略，卡羅琳最近又開始了蛋白降解新技術的開發。
在2020年發表在《自然》（Nature）雜誌上的一篇文章中，她們報道了一個基於溶酶體降解途經降解蛋白的新技術，溶酶體靶向嵌合體技術（LYTAC，Lysosome-targeting chimaeras），這種新技術可以解決以前的技術中難以實現的對分泌到細胞外的蛋白和細胞膜上的蛋白進行選擇降解的難題。
在這個工作中，她們巧妙地利用甘露糖-6-磷酸受體（CI-M6PR，mannose-6-phosphate receptor）和連有甘露糖-6-磷酸（M6P，mannose 6-phosphate）的特異性抗體將蛋白質轉運到溶酶體進行降解。特異性抗體結合了待降解的蛋白質後，通過M6P與CI-M6PR的結合，將待降解的蛋白質帶進溶酶體中。在溶酶體中，分泌蛋白和膜蛋白被靶向降解，而CI-M6PR則可以再次轉運到細胞表面被循環利用。
這種生物與化學有機結合的創新性工作，正是卡羅琳研究的重心。這些研究不但可以很好地幫助揭示糖在生物學和免疫學等方面的重要作用，也可以很好地幫助實現糖在疾病診斷和治療中的重要作用。比如HER2靶向唾液酸酶已成為她在2O15年成立的帕倫製藥公司（Palleon Pharmaceuticals）管線中重要的一個，而溶酶體靶向嵌合體技術則成了她在2019年成立的利西亞療法公司（Lycia Therapeutics）的研發平台技術。
除了這些名氣比較大的研究方向外，在過去的二十多年裏，卡羅琳還在另外的好幾個方向上頗有建樹，比如糖的硫酸化修飾、分枝桿菌糖科學方向、酶小分子抑制劑方向、納米材料方向等，能夠在這些大不相同的研究方向上自如地縱橫馳騁，這與卡羅琳生物與化學交叉教育和研究背景密不可分。生物與化學的結合，也已經逐漸被證明是一種高效的糖科學研究策略。
“糖科學目前還是一個充滿未知的新領域，也是一個很多研究生不願涉足的小眾領域，作為一名在這個領域探索了很多年的研究人員，我們很開心看到卡羅琳的工作能夠得到沃爾夫化學獎的認可。這種認可，將會對糖科學在今後的發展起到很重要的推動作用。” 國際知名的糖科學家，美國化學會糖分會前主席，美國密歇根州立大學的黃雪飛教授評論説，“無論是在科研上還是在其它方面，卡羅琳多年來一直髮揮着重要的作用。她開發的方法，極大地方便了糖的研究和應用她引領的方向，為很多新入行的年輕科學家指明瞭科研道路她的人格魅力和激情，也幫助培養和吸引了很多人進入到糖科學這個領域。”
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