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화학생물학

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목차

1. 개요

화학생물학은 화학과 생물학의 원리를 융합하여 생명 현상을 연구하는 학문이다. 20세기 초부터 용어가 사용되었으며, 19세기 과학적 발견에 기원을 두고 있다. 요소 합성, 핵산 발견, DNA 이중 나선 구조 규명 등 유기화학과 생물학의 만남을 통해 발전해왔다. 주요 연구 분야로는 글리코생물학, 조합 화학, 펩타이드 합성, 프로테오믹스 농축 기술, 효소 프로브, 생물학 활용, 유도 진화, 생체 직교 반응 등이 있으며, 메타유전체학을 통한 생체 분자 발견, 키나아제, 생물학적 형광 연구도 활발히 진행되고 있다. 이 분야의 발전에 기여한 과학자들은 노벨상을 수상하기도 했으며, 관련 학술지들이 존재한다.

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화학생물학

2. 역사

화학생물학은 비교적 새로운 과학 분야로 여겨지지만, 그 기원은 19세기 초의 과학적 발견에 뿌리를 두고 있다.[2][3] 생물학 또는 유전학은 생물의 형질을 연구하며 유전자와 그 발현, 생체 분자의 상호 작용 및 조절 메커니즘을 분석하는 방향으로 발전해 왔다. 이와 함께 유기화학적 방법을 이용한 의약품 등의 신약 개발이 진행되어, 이러한 약품이 생물에 미치는 영향(효과, 부작용, 독성)에 대한 정보가 축적되었다.[88] 분자표적약도 이미 실용화 단계에 있다.[89][90][91] 이러한 화합물의 영향을 "형질"로 보고 그 메커니즘을 밝히는 것이 화학생물학의 목표 중 하나이다.[92][93][94]

생체 기능의 조절, 분석, 재현에 관여하는 유기 분자는 저분자부터 생체 고분자까지 다양하며, 화학생물학은 이러한 분자들의 생체 내 기능과 반응을 분석하여 생체 기능을 이해하고자 한다.

나노기술(나노테크놀로지), 초분자화학과도 관련이 깊은[95] 화학생물학은 최근 하나의 학문 분야로 자리 잡았다.

2. 1. 용어의 기원과 초기 발전

비교적 새로운 과학 분야로 여겨지지만,[2] "화학생물학"이라는 용어는 20세기 초부터 사용되어 왔으며,[3] 19세기 초의 과학적 발견에 뿌리를 두고 있다. '화학생물학'이라는 용어는 1907년 알론조 E. 테일러(Alonzo E. Taylor)가 출판한 "발효에 관하여(On Fermentation)"라는 책에서 처음 등장한 것으로 추적되며,[4] 이후 존 B. 리시스(John B. Leathes)의 1930년 논문 "화학생물학의 탄생에 관한 하비 강연(The Harveian Oration on The Birth of Chemical Biology)"에서 사용되었다.[5] 그러나 이 용어가 처음 사용된 시점은 불분명하다.[3]

뵐러의 1828년 요소 합성은 생물학 발전을 위한 합성화학 적용의 초기 사례이다.[6] 이는 생물학적 화합물이 무기물 출발 물질로 합성될 수 있음을 보여주었고, 유기 화합물을 생산하는 데 '살아있는' 공급원이 필요하다는 이전의 생기론 개념을 약화시켰다.[7][8] 뵐러의 연구는 현대 화학생물학에서 큰 부분을 차지하는 유기화학과 천연물 합성의 발전에 중요한 역할을 한 것으로 여겨진다.[9]

19세기 후반 미셔는 인간 백혈구의 세포 내용물을 조사하여 '핵산'을 발견하였는데, 이후 DNA로 이름이 바뀌었다.[6] 미셔는 프로테아제 소화를 통해 백혈구의 핵에서 핵산을 분리한 후, 원소 분석 및 용해도 시험과 같은 화학적 기술을 사용하여 핵산의 조성을 결정했다.[10] 이 연구는 왓슨과 크릭의 DNA 이중 나선 구조 발견의 기초를 마련했다.[10][11]

화학생물학에 대한 관심이 증가함에 따라 이 분야를 전문으로 하는 여러 학술지가 생겨났다. 2005년에 창간된 네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)[12]와 2006년에 창간된 ACS 케미컬 바이올로지(ACS Chemical Biology)[13]는 이 분야에서 가장 잘 알려진 학술지 중 두 곳이며, 영향 지수는 각각 14.8[14]과 4.0[15]이다.

2. 2. 유기화학과 생물학의 만남

비교적 새로운 과학 분야로 여겨지지만,[2] "화학생물학"이라는 용어는 20세기 초부터 사용되어 왔으며,[3] 19세기 초의 과학적 발견에 뿌리를 두고 있다. '화학생물학'이라는 용어는 1907년 알론조 E. 테일러(Alonzo E. Taylor)가 출판한 "발효에 관하여(On Fermentation)"라는 책에서 처음 등장한 것을 추적할 수 있으며,[4] 이후 존 B. 리시스(John B. Leathes)의 1930년 논문 "화학생물학의 탄생에 관한 하비 강연(The Harveian Oration on The Birth of Chemical Biology)"에서 사용되었다.[5] 그러나 이 용어가 처음 사용된 시점은 불분명하다.[3]

프리드리히 뵐러(Friedrich Wöhler)의 1828년 요소 합성은 생물학 발전을 위한 합성화학 적용의 초기 사례이다.[6] 이는 생물학적 화합물이 무기물 출발 물질로 합성될 수 있음을 보여주었고, 유기 화합물을 생산하는 데 '살아있는' 공급원이 필요하다는 이전의 생기론 개념을 약화시켰다.[7][8] 뵐러의 연구는 현대 화학생물학에서 큰 부분을 차지하는 유기화학과 천연물 합성의 발전에 중요한 역할을 한 것으로 여겨진다.[9]

19세기 후반 프리드리히 미셔(Friedrich Miescher)는 인간 백혈구의 세포 내용물을 조사하여 '핵산'을 발견하였는데, 이후 DNA로 이름이 바뀌었다.[6] 미셔는 프로테아제 소화를 통해 백혈구의 핵에서 핵산을 분리한 후, 원소 분석 및 용해도 시험과 같은 화학적 기술을 사용하여 핵산의 조성을 결정했다.[10] 이 연구는 왓슨과 크릭의 DNA 이중 나선 구조 발견의 기초를 마련했다.[10][11]

화학생물학에 대한 관심이 증가함에 따라 이 분야를 전문으로 하는 여러 학술지가 생겨났다. 2005년에 창간된 네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)[12]와 2006년에 창간된 ACS 케미컬 바이올로지(ACS Chemical Biology)[13]는 이 분야에서 가장 잘 알려진 학술지 중 두 곳이며, 영향 지수는 각각 14.8[14]과 4.0[15]이다.

생물학 또는 유전학은 생물에 나타나는 형질을 대상으로 하여, 그 근저에 있는 유전자와 그 발현, 생체 분자의 상호 작용, 그것들에 의한 조절이라는 메커니즘을 분석하는 방향으로 발전해 왔다. 그것과 병행하여, 유기화학적 방법을 구사한 의약품 등의 신약 개발이 진행되어, 이러한 약품이 생물에 주는 영향(효과·부작용·독성)에 대한 정보도 대량으로 축적되고 있다.[88] 처음부터 생체 고분자를 목표로 한 분자표적약도 이미 실용화가 진행되고 있다.[89][90][91] 이러한 화합물의 영향을 “형질”로 보아, 그 근저에 있는 메커니즘을 찾으려고 하는 것이 화학생물학이다.[92][93][94]

2. 3. 핵산의 발견과 DNA 구조 규명

19세기 후반 프리드리히 미셔는 인간 백혈구의 세포 내용물을 조사하여 '핵산'을 발견하였으며, 이후 핵산은 DNA로 이름이 바뀌었다.[6] 미셔는 프로테아제 소화를 통해 백혈구의 핵에서 핵산을 분리한 후, 원소 분석 및 용해도 시험과 같은 화학적 기술을 사용하여 핵산의 조성을 결정했다.[10] 이 연구는 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭의 DNA 이중 나선 구조 발견의 기초를 마련했다.[10][11]

2. 4. 화학생물학 학술지의 등장

비교적 새로운 과학 분야로 여겨지지만,[2] "화학생물학"이라는 용어는 20세기 초부터 사용되어 왔으며,[3] 19세기 초의 과학적 발견에 뿌리를 두고 있다.

화학생물학에 대한 관심이 증가함에 따라 이 분야를 전문으로 하는 여러 학술지가 생겨났다. 2005년에 창간된 네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)[12]와 2006년에 창간된 ACS 케미컬 바이올로지(ACS Chemical Biology)[13]는 이 분야에서 가장 잘 알려진 학술지 중 두 곳이며, 영향 지수는 각각 14.8[14]과 4.0[15]이다.

3. 화학생물학 분야 노벨상 수상자

화학생물학 분야 노벨상 수상자 목록
수상자년도분야공헌
폴 버그1980화학재조합 DNA[16]
월터 길버트, 프레더릭 생어1980화학유전체 시퀀싱[16]
캐리 멀리스1993화학중합효소 연쇄 반응[17]
마이클 스미스1993화학부위 지정 돌연변이 유발[17]
벤카트라만 라마크리슈난, 토머스 스타이츠, 아다 요나스2009화학리보솜 구조와 기능 규명[18]
로버트 J. 레프코위츠, 브라이언 코빌카2012화학G 단백질 연결 수용체[19]
프랜시스 H. 아놀드, 조지 P. 스미스, 그레고리 윈터2018화학효소의 유도 진화를 통한 개발[20]
에마뉘엘 샤르팡티에, 제니퍼 A. 다우드나2020화학CRISPR/Cas9 유전자 가위[21]
배리 샤플리스, 모르텐 멜달2022화학클릭 화학[22]
캐롤린 버토지2022화학생체 내 클릭 화학 응용[22]


4. 주요 연구 분야

생물학 또는 유전학은 생물의 형질을 대상으로 유전자와 그 발현, 생체 분자의 상호 작용 및 조절 메커니즘을 분석한다. 이와 병행하여 유기화학적 방법을 이용한 의약품 등 신약 개발이 진행되어 약품이 생물에 주는 영향(효과, 부작용, 독성)에 대한 정보가 축적되고 있다.[88] 분자표적약도 이미 실용화되고 있다.[89][90][91] 이러한 화합물의 영향을 "형질"로 보고 그 근저의 메커니즘을 찾는 것이 화학생물학이다.[92][93][94]

화학생물학은 생체 기능 조절, 분석, 재현에 관여하는 저분자 유기 화합물부터 생체 고분자까지, 넓은 범위의 유기 분자를 연구한다. 생체 내 분자 또는 관련 화합물의 기능과 반응을 분석하여 생체 기능 관련 분자의 행동을 이해하고자 한다.

나노기술(나노테크놀로지), 초분자화학과도 관련이 깊으며,[95] 최근 한 분야를 구축했다.

4. 1. 글리코생물학 (Glycobiology)

글리코생물학에서 흔히 연구되는 분자의 예인 시아알산


글리코생물학은 탄수화물의 구조와 기능을 연구하는 학문이다.[23] DNA, RNA, 그리고 단백질은 유전체 수준에서 암호화되지만, 탄수화물은 게놈에서 직접 암호화되지 않으므로, 연구를 위해서는 다른 도구가 필요하다.[24] 화학 원리를 글리코생물학에 적용함으로써 탄수화물을 분석하고 합성하는 새로운 방법을 개발할 수 있다.[25] 예를 들어, 세포에 천연 당의 합성 변이체를 공급하여 그 기능을 조사할 수 있다. 캐롤린 R. 버토지 연구팀은 합성 당을 통해 세포 표면에서 특정 부위에 반응하는 분자를 개발하는 방법을 개발했다.[26]

4. 2. 조합 화학 (Combinatorial chemistry)

조합 화학은 고처리량 분석을 위해 많은 관련 화합물을 동시에 합성하는 것을 포함한다.[27] 화학 생물학자들은 활성 약물 화합물을 합성하고 스크리닝 효율을 극대화하는 데 조합 화학의 원리를 사용할 수 있다.[28] 마찬가지로, 이러한 원리는 농업 및 식품 연구 분야, 특히 비천연 생성물의 합성과 새로운 효소 억제제 생성에 사용될 수 있다.[29]

조합 화학에서 수용체를 선택하는 과정

4. 3. 펩타이드 합성 (Peptide synthesis)

고체상 펩타이드 합성


화학생물학에서 단백질의 화학적 합성은 비천연 아미노산을 도입하고, 인산화, 당화, 아세틸화, 유비퀴틴화와 같은 잔기 특이적 번역 후 변형을 포함할 수 있어 유용한 도구이다.[30] 화학생물학자들은 비천연 아미노산을 이용해 단백질의 기능을 조사하고 변경할 수 있으며, 번역 후 변형은 단백질의 구조와 활성을 조절한다고 알려져 있어 이러한 특성은 중요하다.[31] 이러한 목적을 위해 생물학적 기술도 개발되었지만, 펩타이드의 화학적 합성은 원하는 단백질의 소량을 얻는 데 기술적, 실질적 장벽이 더 낮다.[32]

화학생물학자들은 합성으로 만든 작은 펩타이드 조각으로 단백질 크기의 폴리펩타이드 사슬을 만들기 위해 천연 화학적 연결 과정을 사용할 수 있다.[33] 천연 화학적 연결은 C-말단 티오에스터와 N-말단 시스테인 잔기의 결합을 포함하며, 최종적으로 "천연" 아마이드 결합을 형성한다.[34] 펩타이드 조각 연결에 사용되는 다른 전략으로는 발현 단백질 연결,[35] 황화/탈황 기술,[36] 제거 가능한 티올 보조제 사용이 있다.[37]

4. 4. 프로테오믹스 농축 기술 (Enrichment techniques for proteomics)

화학생물학자들은 농축 전략, 화학적 친화성 태그 및 새로운 프로브 개발을 통해 프로테오믹스를 개선하기 위해 노력한다. 프로테오믹스를 위한 샘플에는 종종 많은 펩타이드 서열이 포함되어 있으며, 관심 대상 서열은 매우 많이 나타나거나 풍부하지 않을 수 있어 검출에 어려움이 있다. 화학생물학적 방법은 친화 크로마토그래피를 사용한 선택적 농축을 통해 샘플의 복잡성을 줄일 수 있다. 여기에는 비오틴 표지 또는 번역 후 변형과 같은 구별되는 특징을 가진 펩타이드를 표적으로 하는 것이 포함된다.[38] 항체, 글리코단백질을 포획하는 렉틴 및 고정화된 금속 이온을 사용하여 인산화된 펩타이드를 포획하고, 선택된 효소를 포획하기 위한 효소 기질을 사용하는 방법이 개발되었다.

4. 5. 효소 프로브 (Enzyme probes)

활성 기반 시약은 전체 단백질이 아닌 효소 활성을 조사하기 위해 개발되어, 효소적으로 활성화된 단백질 형태에 표지를 부착한다(활성 기반 프로테오믹스 참조). 예를 들어, 세린 하이드롤라아제 및 시스테인 프로테아제 억제제는 자살 억제제로 전환되었다.[39] 이러한 전략은 직접 표적화를 통해 저 풍부 구성 요소를 선택적으로 분석하는 능력을 향상시킨다.[40] 효소 활성은 전환된 기질을 통해서도 모니터링할 수 있다.[41] 효소 기질의 확인은 프로테오믹스에서 상당한 어려움을 안겨주는 문제이며 세포 내 신호 전달 경로를 이해하는 데 매우 중요하다. 개발된 방법 중 하나는 비천연 ATP 유사체를 사용하여 기질에 표지를 부착하는 "유사 민감성" 키나아제를 사용하여 고유한 핸들을 통해 시각화 및 확인을 용이하게 하는 것이다.[42]

4. 6. 생물학의 활용 (Employing biology)

많은 연구 프로그램은 자연 생체분자를 이용하여 생물학적 과제를 수행하거나 새로운 화학적 방법을 지원하는 데 초점을 맞추고 있다. 이와 관련하여 화학생물학 연구자들은 DNA가 합성 화학의 주형으로 작용할 수 있고, 자가 조립 단백질이 새로운 재료의 구조적 지지체 역할을 할 수 있으며, RNA는 ''시험관 내''에서 진화하여 새로운 촉매 기능을 생성할 수 있음을 보여주었다. 또한, 이량체화제 또는 PROTACs와 같은 이작용성(양면성) 합성 저분자는 세포 내에서 두 개의 단백질을 결합시키는데, 이는 표적 단백질 분해와 같은 중요한 새로운 생물학적 기능을 합성적으로 유도할 수 있다.[43]

생물학 또는 유전학은 생물에 나타나는 형질을 대상으로 하여, 그 근저에 있는 유전자와 그 발현, 생체 분자의 상호 작용, 그것들에 의한 조절이라는 메커니즘을 분석하는 방향으로 발전해 왔다. 그것과 병행하여, 유기화학적 방법을 구사한 의약품 등의 신약 개발이 진행되어, 이러한 약품이 생물에 주는 영향(효과·부작용·독성)에 대한 정보도 대량으로 축적되고 있다.[88] 처음부터 생체 고분자를 목표로 한 분자표적약도 이미 실용화가 진행되고 있다.[89][90][91] 이러한 화합물의 영향을 “형질”로 보아, 그 근저에 있는 메커니즘을 찾으려고 하는 것이 화학생물학이다.[92][93][94]

생체 기능의 조절이나 분석, 재현에 관여하는 것이라면, 저분자 유기 화합물에서 생체 고분자까지, 넓은 범위의 유기 분자가 연구 대상이 된다. 화학생물학은 그러한 생체 내 분자 또는 관련 화합물의 생체나 모델계에서의 기능과 반응을 분석함으로써, 생체 기능에 관여하는 분자의 행동을 이해하려고 하는 학문이기도 하다.

나노기술(나노테크놀로지), 초분자화학과도 관련이 깊고,[95] 최근 한 분야를 구축한 분야이다.

4. 7. 유도 진화 (Directed evolution)

단백질 공학의 주요 목표는 원하는 구조와 화학적 활성을 가진 새로운 펩타이드 또는 단백질을 설계하는 것이다.[44] 단백질의 1차 서열, 구조 및 기능 간의 관계에 대한 지식이 제한적이기 때문에, 설계된 활성을 가진 새로운 단백질의 합리적 설계는 매우 어렵다.[45] 유전자 다양화를 반복적으로 수행한 후 선별 또는 선택 과정을 거치는 유도 진화는 실험실에서 자연 선택을 모방하여 원하는 활성을 가진 새로운 단백질을 설계하는 데 사용될 수 있다.[46]

다양한 서열 변이체의 대규모 라이브러리를 생성하는 방법에는 여러가지가 있다. 가장 널리 사용되는 방법에는 DNA에 UV 방사선 또는 화학적 돌연변이원을 적용하는 방법, 에러프론 PCR, 퇴화 코돈 또는 재조합이 있다.[47][48] 대규모 변이체 라이브러리가 생성되면, 선택 또는 선별 기술을 사용하여 원하는 특성을 가진 돌연변이체를 찾는다. 일반적인 선택/선별 기술에는 형광 활성화 세포 분류(FACS),[49] mRNA 디스플레이,[50] 파지 디스플레이 및 시험관 내 구획화가 있다.[51] 유용한 변이체가 발견되면, 해당 DNA 서열을 증폭하고 추가적인 다양화 및 선택 라운드를 거친다.

유도 진화 방법의 개발은 2018년 효소의 진화에 대한 프랜시스 아널드(Frances Arnold)와 파지 디스플레이에 대한 조지 스미스(George Smith)와 그레고리 윈터(Gregory Winter)에게 노벨 화학상을 수여함으로써 인정받았다.[52]

4. 8. 생체 직교 반응 (Bioorthogonal reactions)

관심 분자의 성공적인 표지에는 그 분자를 특이적으로 기능화하여 광학적 프로브와 화학적으로 특이하게 반응하게 해야 한다. 표지 실험이 강력하다고 여겨지려면 그 기능화는 시스템을 최소한으로 방해해야 한다. 불행히도 이러한 요구 사항을 충족하기는 어려운 경우가 많다. 실험실에서 유기 화학자들이 일반적으로 사용할 수 있는 많은 반응은 생체 시스템에서는 사용할 수 없다.[53] 물과 산화 환원에 민감한 반응은 진행되지 않고, 친핵성 공격을 받기 쉬운 시약은 화학적 특이성을 제공하지 않으며, 큰 반응 속도 장벽이 있는 모든 반응은 생 세포의 상대적으로 저온 환경에서 충분한 에너지를 찾지 못할 것이다.[54] 따라서 화학자들은 최근 ''생체 내''에서 산만한 반응성 물질의 환경에도 불구하고 화학적으로 특이하게 진행되는 생체 직교 화학 패널을 개발했다.

프로브와 관심 분자의 결합은 합리적으로 짧은 시간 내에 일어나야 한다.[55] 따라서 결합 반응의 동역학은 매우 유리해야 한다. 클릭 화학은 빠르고, 자발적이며, 선택적이고, 수율이 높기 때문에 이러한 틈새를 채우기에 적합하다. 불행히도, 가장 유명한 "클릭 반응"인 아지드와 비고리형 알킨 사이의 [3+2] 싸이클로첨가 반응은 구리 촉매 반응이므로 구리의 독성으로 인해 ''생체 내''에서 사용하는 데 심각한 문제가 있다. 촉매의 필요성을 우회하기 위해 Carolyn R. Bertozzi의 연구실은 고리형 알킨을 사용하여 알킨 종에 고유한 긴장을 도입했다. 특히 사이클로옥틴은 아지도 분자와 매우 활발하게 반응한다.

4. 9. 메타유전체학을 통한 생체 분자 발견 (Discovery of biomolecules through metagenomics)

1990년대 후반 현대 염기서열 분석 기술이 발전하면서, 과학자들은 실험실에서 개별 종을 배양하지 않고 자연 환경에서 생물 군집의 DNA("eDNA")를 조사할 수 있게 되었다. 이러한 메타유전체 접근 방식은 부적절한 성장 조건 때문에 이전에는 특성 규명이 어려웠던 다양한 유기체를 연구할 수 있게 해주었다. eDNA의 원천에는 토양, 해양, 지하, 온천, 열수 분출공, 극지방 빙하, 고염도 서식지 및 극한 pH 환경이 포함된다.[56] 조 핸들스만(Jo Handelsman), 존 클라디(Jon Clardy), 로버트 M. 굿맨(Robert M. Goodman)과 같은 연구자들은 항생제와 같은 생물학적 활성 분자 발견을 위해 메타유전체 접근 방식을 탐구했다.[57]

Overview of metagenomic methods
메타유전체 방법 개요


기능적 또는 상동성 스크리닝 전략은 소형 생물 활성 분자를 생성하는 유전자를 식별하는 데 사용되었다. 기능적 메타유전체 연구는 특정 특성을 가진 분자와 관련된 특정 표현형을 검색하도록 설계되었다. 반면, 상동성 메타유전체 연구는 이전에 생물학적으로 활성이 있는 분자의 발현과 관련된 보존 서열을 식별하기 위해 유전자를 조사하도록 설계되었다.[58]

기능적 메타유전체 연구는 생물학적으로 활성이 있는 분자를 암호화하는 새로운 유전자를 발견할 수 있게 한다. 이러한 분석에는 항생제가 시험 미생물에 대한 성장 억제 영역을 생성하는 상층 아가 배지 분석과 아가 플레이트의 pH 지시약을 사용하여 새로 합성된 분자로 인한 pH 변화를 스크리닝할 수 있는 pH 분석이 포함된다.[59] 화학 화합물에 의해 유도되는 유전자의 발현을 스크리닝하는 방법인 기질 유도 유전자 발현 스크리닝(SIGEX)도 특정 기능을 가진 유전자를 검색하는 데 사용되었다.[1] 상동성 기반 메타유전체 연구는 이전에 생물학적으로 활성이 있는 분자의 생합성을 담당하는 것으로 알려진 유전자와 상동성 서열을 가진 유전자를 빠르게 발견할 수 있게 해주었다. 유전자의 염기서열이 분석되면 과학자들은 수천 개의 박테리아 게놈을 동시에 비교할 수 있다.[58] 기능적 메타유전체 분석과 비교했을 때, 상동성 메타유전체 연구는 메타게놈을 발현하기 위한 숙주 유기체 시스템이 필요하지 않아 비기능적 게놈 분석에 소요되는 시간을 절약할 수 있다는 장점이 있다. 이는 또한 여러 가지 새로운 단백질과 소형 분자의 발견으로 이어졌다.[60] 또한, 전 세계 해양 메타유전체 조사의 ''실리코'' 검사에서 20개의 새로운 랜티바이오틱스 사이클라아제가 발견되었다.[61]

4. 10. 키나아제 (Kinases)

단백질에 인산기를 첨가하는 인산화는 키나아제에 의해 일어나며, 모든 생물 시스템에서 핵심적인 조절 단계이다. 단백질 키나제에 의한 인산화 또는 포스파타제에 의한 탈인산화는 단백질의 활성화 또는 비활성화를 초래한다. 이러한 과정은 생리적 경로의 조절에 영향을 미치므로, 이러한 경로를 분석하고 연구하는 능력은 세포 과정의 세부 사항을 이해하는 데 필수적이다. 그러나 인산체(phosphoproteome)의 엄청난 크기, 인산화 사건의 일시적인 특성, 그리고 고전적인 생물학적 및 생화학적 기술의 물리적 한계와 같은 여러 가지 어려움으로 인해 이 분야의 지식 발전이 제한되어 왔다.[62]

화학생물학자들은 단백질 키나제의 소분자 조절제를 사용하여 단백질 인산화의 효과에 대한 이해를 높였다. 예를 들어, 피리디닐이미다졸 화합물 계열과 같은 비선택적 및 선택적 키나제 억제제[63]는 MAP 키나제 신호 전달 경로의 분석에 유용한 강력한 억제제이다. 이러한 피리디닐이미다졸 화합물은 ATP 결합 부위를 표적으로 하여 작용한다. 이러한 접근법과 관련 접근법[64][65]은 약간의 수정을 통해 여러 경우에 효과적임이 입증되었지만, 이러한 화합물은 더 일반적인 응용 분야에는 충분한 특이성이 부족하다. 또 다른 종류의 화합물인 기전 기반 억제제는 키나제 효소학에 대한 지식과 이전에 사용된 억제 모티프를 결합한다. 예를 들어, "이중 기질 유사체"는 보존된 ATP 결합 부위와 특정 키나제의 단백질/펩타이드 인식 부위 모두에 결합하여 키나제 작용을 억제한다.[66] 연구팀은 또한 ATP 유사체를 화학적 프로브로 사용하여 키나제를 연구하고 그 기질을 확인했다.[67][68][69]

인산 모방체 아미노산을 단백질에 도입하는 새로운 화학적 방법의 개발은 인산화 사건의 효과에 대한 중요한 통찰력을 제공했다. 인산화 사건은 일반적으로 확인된 인산화 부위 (세린, 트레오닌 또는 티로신)를 인산화될 수 없는 아미노산, 예를 들어 알라닌으로 돌연변이시켜 연구되어 왔다. 그러나 이러한 기술에는 한계가 있으며, 화학생물학자들은 단백질 인산화를 연구하는 개선된 방법을 개발했다. 인산화 세린, 인산화 트레오닌 또는 유사한 포스포네이트 모방체를 천연 단백질에 도입함으로써, 연구자들은 인산화 사건이 발생하는 시간을 연장하면서 돌연변이의 종종 불리한 효과를 최소화하여 생체 내 연구를 수행할 수 있다. 발현 단백질 연결은 인산 모방체 분자를 말단에 포함하는 단백질을 합성적으로 생산하는 데 성공적인 기술로 입증되었다.[70] 또한 연구자들은 펩타이드 서열 내의 표적 부위에서 비천연 아미노산 돌연변이 유발을 사용했다.[71][72]

화학생물학의 발전은 키나제 작용의 고전적인 이미징 기술도 개선했다. 예를 들어, 펩타이드 바이오센서—형광단이 통합된 펩타이드—의 개발은 시험관 내 결합 분석의 시간적 해상도를 향상시켰다.[73] 키나제 작용을 연구하는 데 가장 유용한 기술 중 하나는 형광 공명 에너지 전달 (FRET)이다. 인산화 연구에 FRET를 사용하려면 형광 단백질을 인산 아미노산 결합 도메인과 인산화될 수 있는 펩타이드 모두에 결합시킨다. 기질 펩타이드의 인산화 또는 탈인산화 시 구조 변화가 발생하여 형광이 변화한다.[74] FRET는 또한 형광 수명 이미징 현미경(FLIM)[75] 또는 형광 접합 항체와 유세포 분석법[76]과 함께 사용되어 우수한 시간적 및 공간적 해상도를 갖는 정량적 결과를 제공한다.

4. 11. 생물학적 형광 (Biological fluorescence)

화학생물학자들은 생체 거대분자의 기능을 연구하기 위해 형광 기법을 자주 사용한다. 형광은 높은 민감도, 비침습성, 안전한 검출, 형광 신호 조절 능력과 같은 장점을 가진다. 최근에는 로저 첸(Roger Y. Tsien) 등이 녹색 형광 단백질(GFP)을 발견하고, 하이브리드 시스템과 양자점을 개발하여 단백질의 위치와 기능을 더 정확하게 평가할 수 있게 되었다.[77]

주로 사용되는 형광체는 작은 유기 염료, 녹색 형광 단백질, 양자점의 세 가지 유형이다. 작은 유기 염료는 일반적으로 1 kDa 미만이며, 광안정성과 밝기를 높이고 자가 소광을 줄이도록 개선되었다. 양자점은 매우 좁은 파장, 높은 몰 흡광도 및 양자 수율을 갖는다. 유기 염료와 양자 염료는 모두 항체의 도움 없이는 관심 단백질을 인식할 수 없으므로 면역 표지법을 사용해야 한다.

형광 단백질은 유전적으로 암호화되어 관심 단백질에 융합될 수 있다. 테트라시스테인 비비소 기반 시스템은 또 다른 유전자 표지 기법으로, 막 투과성 비비소 분자인 녹색 및 적색 염료 "FlAsH"와 "ReAsH"와 피코몰 친화도로 결합하는 4개의 시스테인을 포함하는 표적 서열의 변형이 필요하다. 형광 단백질과 비비소 테트라시스테인 모두 생세포에서 발현될 수 있지만, 이종 발현에 주요 제한이 있고 기능 상실을 야기할 수 있다.

형광 기법은 단백질 추적, 구조 변화, 단백질-단백질 상호작용, 단백질 합성 및 전환, 효소 활성 등 여러 단백질 역동성을 평가하는 데 사용된다. 단백질 순 이동 및 확산을 측정하기 위한 일반적인 접근 방식으로는 단일 입자 추적, 상관 분광법, 광표지법이 있다. 단일 입자 추적에서는 개별 분자가 한 비디오에서 다른 비디오로 추적될 수 있을 만큼 밝고 드물어야 한다. 상관 분광법은 레이저 초점의 작은 부피로 형광 물체의 이동으로 인한 강도 변동을 분석한다. 광표지법에서는 형광 단백질이 강한 국소 조명을 사용하여 세포 내 영역에서 탈소광될 수 있으며, 표지된 분자의 운명은 직접 영상화될 수 있다. Michalet과 그의 동료들은 HeLa 세포에서 비오틴-양자점을 사용하여 단일 입자 추적에 양자점을 사용했다.[78]

단백질의 구조 변화를 감지하는 가장 좋은 방법 중 하나는 근접한 두 개의 형광체로 관심 단백질을 표지하는 것이다. FRET은 한 형광체의 다른 형광체에 대한 재배향으로 인한 내부 구조 변화에 반응한다. 또한 형광을 사용하여 효소 활성을 시각화할 수 있으며, 일반적으로 소광된 활성 기반 프로테오믹스(qABP)를 사용한다. qABP의 표적 효소의 활성 부위에 대한 공유 결합은 소광제의 방출과 형광의 회복 시 효소가 신호에 대한 책임이 있는지에 대한 직접적인 증거를 제공한다.[79]

5. 화학생물학 교육

화학과 내 생물학 연구가 증가했음에도 불구하고, 화학생물학을 학부 교육 과정에 통합하려는 시도는 부족하다.[80] 예를 들어, 미국화학회(ACS)는 화학 학사 학위의 기초 과정에 생화학을 포함할 것을 요구하지만, 다른 생물학 관련 화학 과정은 요구하지 않는다.[81]

많은 대학에서 학부생을 위한 화학생물학 입문 과정을 제공하고 있지만, 화학생물학 과정은 화학 학부 학위에 필수 과목으로 요구되지 않는 경우가 많다. 예를 들어, 브리티시컬럼비아 대학교는 4학년을 위한 합성 화학생물학 과정을 제공한다.[82]

6. 관련 학술지


  • ACS 화학생물학(ACS Chemical Biology) - 미국화학회에서 발행하는 화학생물학 학술지이다.
  • 생유기 및 의약 화학(Bioorganic & Medicinal Chemistry) - 화학과 생물학의 경계에서 이루어지는 연구를 다루는 Tetrahedron 저널이다.
  • ChemBioChem - 유럽 화학생물학 저널이다.
  • 화학생물학 - RSC 출판사의 화학생물학 뉴스 및 연구 자료를 제공한다.
  • 세포 화학생물학(Cell Chemical Biology) - 화학과 생물학의 경계 영역에서 주목할 만한 논문을 발행하는 학제 간 저널이다.
  • 화학생물학 저널(Journal of Chemical Biology) - 스프링어에서 발행하며, 생물학과 물리 과학의 경계에 있는 새로운 연구와 리뷰를 제공한다.
  • 왕립학회 인터페이스 저널(Journal of the Royal Society Interface) - 물리 과학과 생명 과학의 경계 연구를 장려하는 학제 간 출판물이다.
  • 분자 생체 시스템(Molecular BioSystems) - 화학, 오믹스 과학, 시스템 생물학의 경계에 중점을 둔 화학생물학 저널이다.
  • 네이처 화학생물학(Nature Chemical Biology) - 화학과 생물학의 경계에서 중요한 새로운 연구 결과를 발표하는 월간 학제 간 저널이다.
  • 와일리 화학생물학 백과사전(Wiley Encyclopedia of Chemical Biology)

참조

[1] 논문 Small molecules: the missing link in the central dogma 2005-07-01
[2] 서적 Essentials of Chemical Biology: Structure and Dynamics of Biological Macromolecules John Wiley & Sons, Ltd
[3] 논문 Chemistry towards Biology 2023-02-01
[4] 서적 On fermentation University Press
[5] 논문 The Harveian Oration on THE BIRTH OF CHEMICAL BIOLOGY 1930-10-01
[6] 논문 The origins of chemical biology 2006-01-01
[7] 논문 The death of vitalism and the birth of organic chemistry: Wohler's urea synthesis and the disciplinary identity of organic chemistry 2000-11-01
[8] 논문 Vitalism and synthesis of urea. From Friedrich Wöhler to Hans A. Krebs 1999-01-01
[9] 논문 Natural product synthesis at the interface of chemistry and biology 2014-08-01
[10] 논문 Discovering DNA: Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research 2008-01-01
[11] 논문 Friedrich Miescher and the discovery of DNA 2005-02-01
[12] 웹사이트 LC Catalog - Item Information (Full Record) https://catalog.loc.[...] 2023-11-06
[13] 웹사이트 LC Catalog - Item Information (Full Record) https://catalog.loc.[...] 2023-11-06
[14] 웹사이트 Journal Metrics {{!}} Nature Chemical Biology https://www.nature.c[...] 2023-11-06
[15] 웹사이트 About the Journal https://pubs.acs.org[...] 2023-11-05
[16] 웹사이트 The Nobel Prize in Chemistry 1980 https://www.nobelpri[...] 2023-11-06
[17] 웹사이트 The Nobel Prize in Chemistry 1993 https://www.nobelpri[...] 2023-11-06
[18] 웹사이트 The Nobel Prize in Chemistry 2009 https://www.nobelpri[...] 2023-11-06
[19] 웹사이트 The Nobel Prize in Chemistry 2012 https://www.nobelpri[...] 2023-11-06
[20] 웹사이트 The Nobel Prize in Chemistry 2018 https://www.nobelpri[...] 2023-11-06
[21] 웹사이트 The Nobel Prize in Chemistry 2020 https://www.nobelpri[...] 2023-11-06
[22] 웹사이트 The Nobel Prize in Chemistry 2022 https://www.nobelpri[...] 2023-11-06
[23] 논문 Glycobiology: Toward Understanding the Function of Sugars 1996-03-01
[24] 논문 Glycomics: revealing the dynamic ecology and evolution of sugar molecules 2016-03-01
[25] 논문 Chemistry and glycobiology 2011-06-01
[26] 웹사이트 Bertozzi Group https://bertozzigrou[...] 2023-12-04
[27] 논문 Combinatorial chemistry in drug discovery 2017-06-01
[28] 논문 Application of combinatorial chemistry science on modern drug discovery 2008-05-01
[29] 논문 Applying combinatorial chemistry and biology to food research 2004-12-01
[30] 논문 Posttranslational modifications in proteins: resources, tools and prediction methods 2021-04-01
[31] 논문 Reprogramming natural proteins using unnatural amino acids 2021-11-01
[32] 논문 Chemical methods for peptide and protein production 2013-04-01
[33] 논문 Native Chemical Ligation of Peptides and Proteins 2019-03-01
[34] 서적 Bioconjugate Techniques Academic Press 2013-01-01
[35] 논문 Expressed protein ligation: a general method for protein engineering 1998-06-01
[36] 논문 P-B Desulfurization: An Enabling Method for Protein Chemical Synthesis and Site-Specific Deuteration 2017-11-00
[37] 논문 Chemical synthesis of proteins 2005-06-01
[38] 논문 Modification-specific proteomics: strategies for characterization of post-translational modifications using enrichment techniques 2009-10-00
[39] 논문 Protease degradomics: a new challenge for proteomics 2002-07-00
[40] 논문 Profiling the specific reactivity of the proteome with non-directed activity-based probes 2001-01-00
[41] 논문 Mass spectrometry in coupling with affinity capture-release and isotope-coded affinity tags for quantitative protein analysis 2002-01-00
[42] 논문 Design and use of analog-sensitive protein kinases 2004-05-00
[43] 논문 Next-Generation Drugs and Probes for Chromatin Biology: From Targeted Protein Degradation to Phase Separation 2018-08-00
[44] 백과사전 Computational Protein Engineering Approaches for Effective Design of New Molecules https://www.scienced[...] Academic Press 2023-12-06
[45] 논문 Advances in protein structure prediction and design 2019-11-00
[46] 논문 Protein design by directed evolution
[47] 논문 Searching sequence space for protein catalysts 2001-09-00
[48] 논문 Directed evolution of protein enzymes using nonhomologous random recombination 2004-05-00
[49] 논문 High-throughput screens and selections of enzyme-encoding genes 2005-04-00
[50] 논문 The use of mRNA display to select high-affinity protein-binding peptides 2001-03-00
[51] 논문 Man-made cell-like compartments for molecular evolution 1998-07-00
[52] 웹사이트 The Nobel Prize in Chemistry 2018 https://www.nobelpri[...] 2018-10-03
[53] 논문 Essential chemistry for biochemists 2017-10-00
[54] 서적 Molecular Biology of the Cell. Garland Science 2023-12-06
[55] 논문 Design and development of molecular imaging probes 2010-00-00
[56] 논문 Tapping into microbial diversity 2004-02-00
[57] 논문 Molecular biological access to the chemistry of unknown soil microbes: a new frontier for natural products 1998-10-00
[58] 논문 Recent application of metagenomic approaches toward the discovery of antimicrobials and other bioactive small molecules 2010-10-00
[59] 논문 The metagenomics of soil 2005-06-00
[60] 논문 Identification and characterization of lipolytic enzymes from a peat-swamp forest soil metagenome
[61] 논문 Catalytic promiscuity in the biosynthesis of cyclic peptide secondary metabolites in planktonic marine cyanobacteria 2010-06-00
[62] 논문 The chemical biology of protein phosphorylation
[63] 논문 The structural basis for the specificity of pyridinylimidazole inhibitors of p38 MAP kinase 1997-06-00
[64] 논문 Inhibition of p38 MAP kinase by utilizing a novel allosteric binding site 2002-04-00
[65] 논문 Structural mechanism for STI-571 inhibition of abelson tyrosine kinase 2000-09-00
[66] 논문 Mechanism-based design of a protein kinase inhibitor 2001-01-00
[67] 논문 A Cell-Permeable ATP Analogue for Kinase-Catalyzed Biotinylation 2015-08-00
[68] 논문 The generality of kinase-catalyzed biotinylation 2016-01-00
[69] 서적 Kinomics: Approaches and Applications Wiley
[70] 논문 Expressed protein ligation: a general method for protein engineering 1998-06-00
[71] 논문 A general method for site-specific incorporation of unnatural amino acids into proteins 1989-04-00
[72] 논문 Expanding the genetic code
[73] 논문 Peptide-based fluorescent sensors of protein kinase activity: design and applications 2008-01-00
[74] 논문 A genetically encoded fluorescent reporter reveals oscillatory phosphorylation by protein kinase C 2003-06-00
[75] 논문 Quantitative imaging of lateral ErbB1 receptor signal propagation in the plasma membrane 2000-11-00
[76] 논문 Kinetics and extent of protein tyrosine kinase activation in individual T cells upon antigenic stimulation 1999-06-00
[77] 논문 The fluorescent toolbox for assessing protein location and function 2006-04-00
[78] 논문 Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics 2005-01-00
[79] 논문 Fluorescent probes for bioimaging applications 2008-10-00
[80] 논문 Chemical biology: an educational challenge for chemistry departments 2005-10-00
[81] 웹사이트 Coursework https://www.acs.org/[...] 2023-12-02
[82] 웹사이트 Chemistry 461: Synthetic Chemical Biology UBC Chemistry https://www.chem.ubc[...] 2023-12-02
[83] 논문 The state of the art of chemical biology
[84] 논문 化学と生物学の融合を目指して: ケミカルバイオロジー
[85] 논문 Chemical genetics to chemical genomics: small molecules offer big insights
[86] 논문 From genomics to chemical genomics: new developments in KEGG
[87] 논문 Yeast chemical genomics and drug discovery: an update
[88] 논문 1. 日本の公開医薬品副作用データベースの活用
[89] 논문 Targeted therapy in cancer
[90] 논문 Targeted therapy: an elusive cancer target
[91] 논문 Molecular targeted therapy of cancer: The progress and future prospect
[92] 서적 Fluorine in medicinal chemistry and chemical biology John Wiley & Sons
[93] 서적 Aminoglycoside antibiotics: from chemical biology to drug discovery John Wiley & Sons
[94] 논문 Click chemistry for drug development and diverse chemical–biology applications
[95] 서적 Encyclopedia of supramolecular chemistry CRC Press


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