화학 라이브러리
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1. 개요
화학 라이브러리는 신약 개발 및 고속 처리 스크리닝에 사용되는 화학 물질의 집합체이다. 가능한 모든 화학 구조의 화학 공간은 매우 넓지만, 저장 및 비용 문제로 인해 대부분의 화학 라이브러리는 이를 완전히 표현하지 못한다. 화학 라이브러리는 유기 화학 기반 합성, 조합 화학, 외부 화합물 구매 등을 통해 생성되며, 다양성 지향성, 약물 유사성, 표적 지향성 등 다양한 설계 및 최적화 방법을 통해 구축된다. 또한, 화학 라이브러리는 바코드, 데이터베이스, 로봇 공학 등의 정보 기술을 활용하여 보관 및 관리되며, 화합물 관리는 이러한 라이브러리의 안전성과 효율성을 극대화하는 데 중요한 역할을 한다.
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2. 화학 라이브러리의 목적
화학 라이브러리는 일반적으로 특정 목표를 위해 생성되며, 더 큰 화학 라이브러리는 동일한 위치에 저장된 여러 소규모 라이브러리 그룹으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 신약 개발 과정에서 고속 스크리닝을 통해 질병 모델에 대한 테스트를 위해 광범위한 유기 화학 물질이 필요하다. 따라서 신약 개발에서 화학 라이브러리를 생성하는 데 필요한 대부분의 화학 합성은 유기 화학에 기반을 둔다. 암에서 키나아제 억제제를 스크리닝하는 데 관심이 있는 회사는 ATP 결합 부위 또는 알로스테릭 부위에 친화력을 갖는 것으로 알려진 화학 물질의 유형으로 화학 라이브러리 및 합성을 제한할 수 있다.
그러나 일반적으로 대부분의 화학 라이브러리는 유기 화학자가 동일한 분자 골격에서 많은 변형을 만들 수 있는 다양한 유기 화학 계열의 큰 그룹에 중점을 둔다. 때로는 외부 공급업체에서 화학 물질을 구매하여 내부 화학 라이브러리에 포함할 수도 있다.
범위와 디자인에 따라 화학 라이브러리는 다양성 지향적, 약물 유사, 리드 유사, 펩타이드 모방, 천연물 유사[1], 키나아제, GPCR, 프로테아제, PPI 등과 같은 특정 생물학적 표적군을 대상으로 분류될 수 있다. 이러한 화학 라이브러리는 종종 표적 기반 신약 개발(역 약리학)에 사용된다. 화합물 라이브러리 중에는 주로 단편 기반 리드 발굴에 사용되는 단편 화합물 라이브러리가 있다.
한국의 제약 기업과 바이오 벤처 기업들은 이러한 화학 라이브러리를 활용하여 혁신 신약 개발에 적극적으로 참여하고 있다.
2. 1. 신약 개발
신약 개발과 고속 처리 스크리닝에서는 가능한 많은 적절한 화학 공간을 활용하기 위해 화학 물질을 선택하여 약물 표적을 스크리닝하는 것이 바람직하다. 고려할 수 있는 모든 화학 구조의 화학 공간은 매우 방대하다. 대부분의 보존된 화학 라이브러리는 주로 보관 및 비용 문제로 인해 완벽하게 표현되거나 샘플링된 화학 공간을 갖추지 못하고 있다. 하지만 많은 분자 간 상호작용을 예측할 수 없기 때문에, 화학 라이브러리에 의해 샘플링되는 화학 공간이 넓을수록 고속 처리 스크리닝에서 "히트", 즉 생물학적 모델에서 적절한 상호작용을 갖는 화학 물질을 발견할 가능성이 높아지며, 약물로 개발될 가능성도 높아진다.신약 개발에서의 화학 라이브러리의 예로는 키나아제를 억제하는 것으로 알려진 일련의 화학 물질이나, 산업 공정에서 수지를 중합하는 것으로 알려진 일련의 촉매 등이 있다.
화학 라이브러리는 일반적으로 특정 목적을 위해 만들어지며, 더 큰 화학 라이브러리는 동일한 장소에 저장된 작은 라이브러리 여러 그룹으로 구성된다. 예를 들어, 신약 개발 과정에서는 고속 대량 스크리닝을 통해 질병 모델을 시험하기 위해 광범위한 유기 화학 물질이 필요하다. 따라서 신약 개발에서 화학 라이브러리를 만들기 위해 필요한 화학 합성의 대부분은 유기 화학에 기반한다. 암에서의 키나아제 억제제 스크리닝에 관심 있는 회사는 사용할 화학 라이브러리와 합성을 ATP 결합 부위 또는 알로스테릭 부위에 친화성이 있는 것으로 알려진 종류의 화학 물질로만 제한하는 경우가 있다.
그러나 일반적으로 대부분의 화학 라이브러리는 유기 화학자가 동일한 분자 골격 위에 많은 변형을 가할 수 있도록 다양한 유기 화학 물질의 대규모 그룹에 초점을 맞추고 있다. 때로는 화학 물질을 외부 벤더로부터 구매하여 내부 화학 라이브러리에 통합하기도 한다.
그 범위와 설계에 따라 화학 라이브러리는 다양성 지향성, 약물 유사성, 리드 유사성, 펩타이드 모방성, 천연물 유사성[1], 키나아제, GPCR, 프로테아제, PPI 등과 같은 생물학적 표적의 특정 패밀리에 대한 표적 등으로 분류할 수 있다. 화합물 라이브러리 중에서도 Fragment-based lead discovery|label=단편 기반 신약 개발영어 (FBDD)에 주로 사용되는 단편 화합물 라이브러리에 주석을 달 필요가 있다.
화합물 라이브러리는 표적에 활성을 나타내는 화합물이 포함되어 있는 것이 중요하며, 화합물 공간이 넓다고 좋은 것도 아니고, 약물 유사성 라이브러리나 포커스 드래그 라이브러리처럼 표적에 맞춰 좁혀두면 되는 것도 아니다. 스크리닝 결과, 시드조차 히트하지 않는 경우도 많아, 의약품 개발 비용 증가를 초래한 요인 중 하나이다.
2. 2. 고속 대량 스크리닝 (HTS)
신약 개발에서 고속 처리 스크리닝을 할 때, 가능한 한 넓은 화학 공간에 있는 화학 물질들을 약물 표적에 대해 스크리닝하는 것이 좋다. 모든 화학 구조를 포함하는 화학 공간은 매우 방대하다. 대부분의 화학 라이브러리는 저장 및 비용 문제 때문에 이 화학 공간을 전부 포함하지 못한다. 그러나 분자 간의 상호작용은 예측하기 어렵기 때문에, 화학 라이브러리가 더 넓은 화학 공간을 포함할수록 고속 처리 스크리닝에서 "히트"(약물로 개발될 수 있는, 생물학적 모델에서 적절한 상호작용을 하는 화학 물질)를 찾을 가능성이 높아진다.화학 라이브러리는 보통 특정 목적을 위해 만들어지며, 큰 화학 라이브러리는 같은 장소에 저장된 여러 개의 작은 라이브러리로 구성된다. 예를 들어, 신약 개발 과정에서 고속 대량 스크리닝을 통해 질병 모델을 시험하려면 다양한 유기 화학 물질이 필요하다. 암에서 키나아제 억제제를 찾는 회사는 ATP 결합 부위나 알로스테릭 부위에 잘 붙는다고 알려진 화학 물질로 라이브러리를 제한하기도 한다.
3. 화학 라이브러리의 생성
신약 개발과 고속 처리 스크리닝에서는 가능한 많은 적절한 화학 공간을 활용하는 것이 중요하다. 화학 공간은 가능한 모든 화학 구조를 포함하는 매우 광대한 영역이다. 그러나 대부분의 화학 라이브러리는 저장 및 비용 문제로 인해 전체 화학 공간을 포함하지 못한다. 그럼에도 불구하고, 화학 라이브러리가 샘플링하는 화학 공간이 넓을수록 고속 처리 스크리닝에서 "히트"(약물로 개발될 가능성이 있는 물질)를 찾을 확률이 높아진다.[1]
화합물 라이브러리는 표적에 활성을 나타내는 화합물이 포함되어 있는 것이 중요하며, 넓은 화합물 공간이 반드시 유리한 것은 아니다. 표적에 맞춰 약물 유사성 라이브러리나 포커스 드래그 라이브러리처럼 범위를 좁히는 것이 효과적일 수 있다. 스크리닝 결과, 시드조차 히트하지 않는 경우도 많아 의약품 개발 비용 증가의 요인이 되기도 한다.
국내 라이브러리 구축 현황: 국내 연구 기관 및 기업들은 자체적인 화학 라이브러리를 구축하거나, 해외 라이브러리를 도입하여 활용하고 있다.
3. 1. 유기 화학 기반 합성
신약 개발에서 화학 라이브러리를 생성하는 데 필요한 화학 합성의 대부분은 유기 화학에 기반을 둔다.[1] 예를 들어, 암에서 키나아제 억제제를 스크리닝하는 데 관심이 있는 회사는 ATP 결합 부위 또는 알로스테릭 부위에 친화력을 갖는 것으로 알려진 화학 물질 유형으로 화학 라이브러리 및 합성을 제한할 수 있다.일반적으로 대부분의 화학 라이브러리는 유기 화학자가 동일한 분자 골격에서 많은 변형을 만들 수 있는 다양한 유기 화학 계열의 큰 그룹에 중점을 둔다. 때로는 외부 공급업체에서 화학 물질을 구매하여 내부 화학 라이브러리에 포함하기도 한다.
그 범위와 설계에 따라 화학 라이브러리는 다양성 지향적, 약물 유사성, 리드 유사성, 펩타이드 모방성, 천연물 유사성[3], 키나아제, GPCR, 프로테아제, PPI 등과 같은 생물학적 표적의 특정 패밀리에 대한 표적 등으로 분류할 수 있다. 이러한 화학 라이브러리는 종종 표적 기반 신약 개발 (역 약리학)에 사용된다. 화합물 라이브러리 중에는 주로 Fragment-based lead discovery|단편 기반 리드 발굴영어에 사용되는 단편 화합물 라이브러리가 주석으로 포함되어야 한다.
3. 2. 조합 화학
화학 라이브러리는 일반적으로 특정 목표를 위해 생성되며, 더 큰 화학 라이브러리는 동일한 위치에 저장된 여러 소규모 라이브러리 그룹으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 신약 개발 과정에서 고속 스크리닝을 통해 질병 모델에 대한 테스트를 위해 광범위한 유기 화학 물질이 필요하다. 따라서 신약 개발에서 화학 라이브러리를 생성하는 데 필요한 대부분의 화학 합성은 유기 화학에 기반을 둔다. 암에서 키나아제 억제제를 스크리닝하는 데 관심이 있는 회사는 ATP 결합 부위 또는 알로스테릭 부위에 친화력을 갖는 것으로 알려진 화학 물질의 유형으로 화학 라이브러리 및 합성을 제한할 수 있다.그러나 일반적으로 대부분의 화학 라이브러리는 유기 화학자가 동일한 분자 골격 또는 분자 백본에서 많은 변형을 만들 수 있는 다양한 유기 화학 계열의 큰 그룹에 중점을 둔다. 때로는 외부 공급업체에서 화학 물질을 구매하여 내부 화학 라이브러리에 포함할 수도 있다.
범위와 디자인에 따라 화학 라이브러리는 또한 다양성 지향적, 약물 유사, 리드 유사, 펩타이드 모방, 천연물 유사[1], 키나아제, GPCR, 프로테아제, PPI 등과 같은 특정 생물학적 표적군을 대상으로 분류될 수 있다. 이러한 화학 라이브러리는 종종 표적 기반 신약 개발(역 약리학)에 사용된다. 화합물 라이브러리 중에는 주로 단편 기반 리드 발굴에 사용되는 단편 화합물 라이브러리가 주석으로 포함되어야 한다.
3. 3. 외부 화합물 구매
일반적으로 대부분의 화학 라이브러리는 유기화학자가 동일한 분자 골격에서 많은 변형을 만들 수 있는 다양한 유기화학 계열의 큰 그룹에 중점을 둔다. 때로는 외부 공급업체에서 화학 물질을 구매하여 내부 화학 라이브러리에 포함하기도 한다.4. 화학 라이브러리 설계 및 최적화
화학 라이브러리는 일반적으로 화학자 및 화학정보학 과학자에 의해 설계되고, 유기 화학 및 의약 화학에 의해 합성된다. 화학 라이브러리 생성 방법은 프로젝트에 따라 다르며, 스크리닝 화합물을 선택할 때 고려해야 할 요소가 많다.[2]
일반적으로 특정 약물 표적 또는 질병 모델에 대해 다양한 화학 물질을 스크리닝하고, 원하는 활성을 나타내는 예비 "히트" 화합물을 다시 스크리닝하여 활성을 확인한다. 반복성과 활성이 확인되면 "히트" 화합물로 등록하고 분석한다. 화학 단백질체학은 단백질 표적을 식별하기 위해 화학 라이브러리를 활용하는 연구 분야이다.
서로 다른 화학 그룹 간의 공통성은 특정 화학 하위 공간을 반영하는 경우가 많으므로, 이를 연구하여 하위 공간의 활성 부분에서 화학 라이브러리를 최적화하기 위해 추가적인 화학 작업이 필요할 수 있다. 필요한 경우, 원래 "히트" 화합물과 매우 유사한 화합물을 더 많이 생성하여 해당 하위 공간에서 화학 라이브러리를 확장하기도 한다. 이 좁은 범위 내에서 새로운 화합물을 선택하고 추가로 스크리닝하여 신약 발굴 히트 투 리드 프로세스에서 더 정교한 모델로 검증한다.
신약 개발에서 고속 스크리닝을 할 때는 적절한 화학 공간을 최대한 활용하기 위해, 화학 물질을 선택하는 과정에서 신약 개발 표적을 스크리닝하는 것이 좋다. 고려할 수 있는 모든 화학 구조의 화학 공간은 매우 방대하다. 대부분의 화학 라이브러리는 보관 및 비용 문제로 전체 화학 공간을 포함하지 못하고 있다. 그러나 분자 간 상호작용을 예측하기 어렵기 때문에, 화학 라이브러리가 넓은 화학 공간을 포함할수록 고속 스크리닝에서 "히트" 화합물을 발견하고, 이를 약물로 개발할 가능성이 높아진다.
한국의 접근 방식: 국내 연구진들은 컴퓨터 기반 설계 (CADD) 및 화학 정보학 (Cheminformatics) 기술을 활용하여 라이브러리 설계를 최적화하고 있다.
4. 1. 다양성 지향 합성 (DOS)
다양성 지향 합성(DOS)은 화학 라이브러리의 한 종류이다. 화학 라이브러리는 일반적으로 특정 목적을 위해 만들어지며, 더 큰 화학 라이브러리는 동일한 장소에 저장된 작은 라이브러리 여러 그룹으로 구성된다. 그 범위와 설계에 따라 화학 라이브러리는 다양성 지향성, 약물 유사성, 리드 유사성, 펩타이드 모방성, 천연물 유사성[3], 키나아제, GPCR, 프로테아제, PPI 등과 같은 생물학적 표적의 특정 패밀리에 대한 표적 등으로 분류할 수 있다.4. 2. 약물 유사성
범위와 디자인에 따라 화학 라이브러리는 다양성 지향적, 약물 유사성, 리드 유사성, 펩타이드 모방성, 천연물 유사성[1], 키나아제, GPCR, 프로테아제, PPI 등과 같은 생물학적 표적의 특정 패밀리에 대한 표적 등으로 분류될 수 있다. 화합물 라이브러리 중에서도 Fragment-based lead discovery|단편 기반 신약 개발영어 (FBDD)에 주로 사용되는 단편 화합물 라이브러리에 주석을 달 필요가 있다.화합물 라이브러리는 표적에 활성을 나타내는 화합물이 포함되어 있는 것이 중요하며, 화합물 공간이 넓다고 좋은 것도 아니고, 약물 유사성 라이브러리나 포커스 드래그 라이브러리처럼 표적에 맞춰 좁혀두면 되는 것도 아니다. 스크리닝 결과, 시드조차 히트하지 않는 경우도 많아, 의약품 개발 비용 증가를 초래한 요인 중 하나이다.
4. 3. 표적 지향 라이브러리
화학 라이브러리는 그 범위와 디자인에 따라 다양성 지향적, 약물 유사성, 리드 유사, 펩타이드 모방, 천연물 유사[1], 키나아제, GPCR, 프로테아제, PPI 등과 같은 특정 생물학적 표적군을 대상으로 분류될 수 있다. 이러한 화학 라이브러리는 종종 표적 기반 신약 개발(역 약리학)에 사용된다. 화합물 라이브러리 중에는 주로 단편 기반 리드 발굴에 사용되는 단편 화합물 라이브러리가 있다.화합물 라이브러리는 표적에 활성을 나타내는 화합물이 포함되어 있는 것이 중요하며, 화합물 공간이 넓다고 좋은 것도 아니고, 약물 유사성 라이브러리나 포커스 드래그 라이브러리처럼 표적에 맞춰 좁혀두면 되는 것도 아니다. 스크리닝 결과, 시드조차 히트하지 않는 경우도 많아, 의약품 개발 비용 증가의 한 요인이 되기도 한다.
화학 라이브러리는 일반적으로 화학자나 케모인포매틱스(화학 정보학) 과학자에 의해 설계되고, 유기 화학이나 의약 화학을 통해 합성된다. 화학 라이브러리 제작 방법은 프로젝트에 따라 다르며, 스크리닝 화합물을 선택할 때 합리적인 방법을 사용하기 위해 고려해야 할 많은 요소가 있다[4]。 일반적으로 특정 약물 표적 또는 질병 모델에 대해 다양한 화학 물질을 스크리닝하고, 목적하는 활성을 나타내는 예비적인 "히트" 화합물을 재스크리닝하여 활성을 검증한다. 재현성과 활성을 기반으로 "히트"로 인정되면, 이러한 특정 화학 물질을 등록하고 분석한다. 다른 화학 물질 간의 공통성은 특정 화학 부분 공간을 반영하는 경우가 많기 때문에 조사된다. 부분 공간의 활성 부분에 대한 화학 라이브러리를 더욱 최적화하기 위해 추가적인 화학 작업이 필요할 수 있다. 필요에 따라 특정 부분 공간의 화학 라이브러리를 확장하기 위해, 원래 히트 화합물과 매우 유사한 화합물을 더 많이 생성하여 추가 합성을 수행한다. 이 좁은 범위 내 화합물의 새로운 선택은 추가로 스크리닝되고, "리드 제너레이션" 과정에서 추가 검증을 위해 보다 정교한 모델로 이어진다.
4. 4. 단편 기반 라이브러리
신약 개발에서 고속 대량 스크리닝을 할 때, 적절한 화학 공간을 최대한 활용하기 위해 화학 물질을 선택하는 과정에서 신약 개발 표적을 스크리닝하는 것이 바람직하다. 고려할 수 있는 모든 화학 구조의 화학 공간은 매우 방대하다. 대부분의 보존된 화학 라이브러리는 주로 보관 및 비용 문제로 인해 완벽하게 표현되거나 샘플링된 화학 공간을 갖추지 못하고 있다. 하지만 많은 분자 간 상호작용을 예측할 수 없기 때문에, 화학 라이브러리에 의해 샘플링되는 화학 공간이 넓을수록 고속 대량 스크리닝에서 "히트", 즉 생물학적 모델에서 적절한 상호작용을 갖는 화학 물질을 발견할 가능성이 높아지며, 약물로 개발될 가능성도 높아진다.화합물 라이브러리 중에서도 Fragment-based lead discovery|단편 기반 리드 발굴영어 (FBDD)에 주로 사용되는 단편 화합물 라이브러리에 주목할 필요가 있다.
5. 화학 라이브러리 보관 및 관리
생각할 수 있는 모든 유기 화학 물질의 "화학 공간"은 방대하며, 분자 크기에 따라 기하급수적으로 증가한다. 대부분의 화학 라이브러리는 주로 보관 및 비용 문제로 인해 일반적으로 전체 화학 공간을 표현하지 못한다.
국내에서는 바코드, 관계형 데이터베이스, 자동화 시스템 등을 활용하여 화학 라이브러리를 체계적으로 관리하고 있다.
5. 1. 보관 조건
화학 합성은 많은 비용과 노력이 들기 때문에, 화학 물질을 조기에 열화되지 않도록 올바르게 보존하고 이후 사용을 위해 보관해야 한다. 각 화학 물질은 특정 보존 기간과 보존 요구 사항을 가지며, 적절한 규모의 화학 라이브러리에서는 라이브러리 화학 물질을 정기적으로 폐기 및 교체하기 위한 일정이 있다. 화학 물질 중에는 상당히 불안정한 것, 방사성인 것, 휘발성인 것, 가연성인 것이 있으며, 미국 산업안전보건청(OSHA)과 같은 안전 기준에 따라 신중한 조건 하에 보관해야 하는 것도 있다.5. 2. 데이터베이스 관리
대부분의 화학 라이브러리는 바코드 및 관계형 데이터베이스와 같은 정보 기술로 관리된다.[2] 큰 화학 라이브러리에서 화합물을 가져오기 위해서는 로봇 공학이 필요하다.[2]화학 라이브러리의 개별 항목은 수백만 개의 화합물에 쉽게 도달할 수 있으므로, 적당한 크기의 화학 라이브러리조차 관리하는 것은 전업으로 해야 할 수 있다. 화합물 관리는 이러한 화학 라이브러리를 관리하고 유지하며 관리의 안전성과 효율성을 극대화하려는 분야이다.[2]
5. 3. 자동화 시스템
대부분의 화학 라이브러리는 바코드 및 관계형 데이터베이스와 같은 정보 기술로 관리된다. 또한, 대규모 화학 라이브러리에서는 화합물을 꺼내기 위해 로봇이 필요하다.5. 4. 화합물 관리 (Compound Management)
생각할 수 있는 모든 유기 화학 물질의 "화학 공간"은 방대하며, 분자 크기에 따라 기하급수적으로 증가한다. 대부분의 화학 라이브러리는 주로 보관 및 비용 문제로 인해 일반적으로 전체 화학 공간을 표현하지 못한다.화학 합성은 많은 비용과 노력이 들기 때문에, 조기 열화를 방지하기 위해 화학 물질을 올바르게 보존하고 이후 사용을 위해 보관해야 한다. 각 화학 물질은 특정 보존 기간과 보존 요구 사항을 가지며, 적절한 규모의 화학 라이브러리에서는 라이브러리 화학 물질을 정기적으로 폐기 및 교체하기 위한 일정이 있다. 화학 물질 중에는 상당히 불안정한 것, 방사성인 것, 휘발성인 것, 가연성인 것이 있으며, 미국 산업안전보건청(OSHA)과 같은 안전 기준에 따라 신중한 조건 하에 보관해야 하는 것도 있다.
대부분의 화학 라이브러리는 바코드나 관계형 데이터베이스와 같은 정보 기술로 관리된다. 또한, 대규모 화학 라이브러리에서는 화합물을 꺼내기 위해 로봇이 필요하다.
화학 라이브러리의 개별 항목은 수백만 개의 화합물에 달할 수 있으므로, 중간 규모의 화학 라이브러리조차 그 관리에 전담 노력이 필요하다. 화합물 관리는 이러한 화학 라이브러리를 관리 및 유지하고, 그 관리의 안전성과 유효성을 최대화하는 것을 목표로 하는 분야이다.
참조
[1]
웹사이트
Natural Products Inform Library Design
http://www.genengnew[...]
2010-01-15
[2]
논문
Rational Methods for the Selection of Diverse Screening Compounds
2011-01
[3]
웹사이트
Natural Products Inform Library Design
http://www.genengnew[...]
2010-01-15
[4]
논문
Rational Methods for the Selection of Diverse Screening Compounds
2011-01
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