당류는 세포 내 정상적인 생리 과정에 중요할 뿐만 아니라 병리학적 프로세스에서도 중요한 역할을 합니다. 박테리아와 바이러스는 숙주 감염 사실을 직접 인지할 수도 있습니다. 아직도 쉽지 않은 연구 주제이기는 하지만 최근 몇 년간 당생물학에 대한 다양한 분야와 학계의 관심이 커지고 있습니다. 생물 직교 화학은 이 연구 분야의 한 도구로 글리칸의 영상을 촬영하는 데 사용됩니다. 글리칸은 단백질과 펩티드에 부착된 탄수화물 구조입니다(그림 1).
최근 Carolyn Bertozzi의 연구 그룹이 생물 직교 화학을 활용하여 새로운 생체 분자, glycoRNA를 발견하는 놀라운 성과를 달성했습니다. 이 단체는 생물 직교 화학 분야에서 오랫동안 선구자적인 연구 활동을 이어 왔습니다. 이 글에서는 생물 직교 화학과 그 활용 분야, 특히 당생물학 분야의 발전에 미치는 영향과 앞으로의 기회를 세부적으로 알아봅니다.
생물 직교 화학이란?
생물 직교 화학이라는 용어는 수년간 이 분야를 선도해 온 Bertozzi 연구 그룹이 처음 사용했습니다. 생물 직교 화학은 생체분자에 미치는 영향과 생화학적 프로세스에 대한 간섭을 최소화한 생물학적 환경에서 발생할 수 있는 반응을 의미합니다. 생물 직교 화학 프로세스는 생물학적 시스템에서 반응이 발생하는 데 필요한 다음과 같은 엄격한 기준을 충족합니다.
- 반응은 생리학적 환경의 온도와 pH에서 발생해야 합니다.
- 반응은 선별적으로 또한 높은 수율로 산물을 제공해야 하며 복잡한 생물학적 환경에 존재하는 물 또는 내생 진핵체(endogenous nucleophiles), 친전자체(electrophiles), 환원제 또는 산화제의 영향을 받지 않아야 합니다.
- 반응은 낮은 농도에서도 빠른 속도로 안정적인 반응 산물을 만들어야 합니다.
- 반응에는 생물학적 시스템에서 자연적으로 존재하지 않는 작용기가 수반되어야 합니다.
생물 직교 화학의 용도
CAS Content CollectionTM을 활용하여 2010년부터 2020년까지 생물 직교 화학 분야의 간행물 동향을 분석할 수 있습니다(그림 2). 2010년과 2020년 사이 생물 직교 화학을 가장 많이 사용한 단일 용도가 이미징이었으며 그 다음이 신약 개발과 약물 전달입니다.
(*2010년을 기준점으로 선택한 이유는 "생물 직교 화학"이라는 용어가 포함된 문서가 전년에 비해 크게 증가한 첫 해이기 때문입니다. "생물 직교"라는 용어가 포함된 총 문서 건수의 약 90%가 2010년 이후 발표되었습니다.)
단백질 생물 직교 화학과 관련된 간행물 건수가 가장 많았으며 그 이유는 이 방법이 가장 잘 정리되어 있기 때문으로 분석됩니다. 상대적으로 새로운 분야인 글리칸에 대한 연구도 점진적으로 증가하고 있습니다(그림 3).
글리칸 이미징
생물 직교 화학은 글리칸의 구조, 위치, 생물학적 기능을 이해하기 위한 필수 도구임이 입증되었습니다. 글리칸은 세포벽에서 쉽게 찾을 수 있는 펩타이드, 단백질, 지질에 부착된 올리고당으로 세포 유형을 선택적으로 시각화하는 데 사용할 수 있습니다. 글리칸 대사 전구물에는 아지드화물, 말단 알카인, 스트레인 알카인과 같은 많은 생물 직교 기능이 포함됩니다. 글리칸은 적절한 생물 직교 파트너로 시각화할 수 있습니다. 예를 들어 아지드화물은 슈타우딩거의 포스핀 함유 에스테르 또는 티오에스테르 또는 흔적이 없는 슈타우딩거 라이게이션으로 볼 수 있으며 말단 알카인 또는 스트레인 알카인은 각각 CuAAC 또는 SPAAC를 사용하여 식별할 수 있습니다.
생물 직교 화학을 통한 당생물학 발전
지금까지 RNA는 글리코실화의 주요 표적이 아니었습니다. 그러나 최근 대사 표지 및 생물 직교 화학 연구에서 "glycoRNA 발견"이라는 큰 업적을 달성했습니다. Bertozzi 연구 그룹을 지휘한 Ryan A. Flynn 박사는 다양한 화학 및 생화학 접근법을 사용하여 보존된 작은 비암호화 RNA가 시알화 글리칸을 함유하고 해당 glycoRNA가 여러 가지 세포 유형과 배양 세포 및 체내 포유류종에 존재한다는 점을 발견했습니다.
이 발견에 사용된 전략은 클릭 가능한(clickable) 아지드기로 기능화된 당질 선구체로 세포 또는 동물에 대사 표지를 지정한 것이었습니다. 아지도 당류(Azidosugars)는 비오틴 프로브로 생물 직교 반응을 도우며 세포 글리칸에 통합된 후 농축, 식별 및 시각화가 가능합니다. 시알산, 당 아세틸화 N-아지도아세틸만노사민(Ac4ManNAz)의 아지드 표지 전구물을 사용한 결과, 표지 세포를 통한 고순도 RNA 준비로 아지드 반응성이 나타나는 것으로 나타났습니다. glycoRNA 구성은 기준 N-글리칸 생합성 구성과 시알산 및 푸코스가 풍부한 구조 결과에 따라 다릅니다. 생세포에 대한 추가 분석 결과, 대부분의 glycoRNA가 Siglec 수용체군의 항dsRNA 항체 및 구성 요소와 접촉하는 세포 표면에 존재한다는 것으로 나타났습니다. glycoRNA의 역할을 연구하는 추가 연구도 예정되어 있습니다.
생물 직교 화학의 도움으로 RNA 생물학과 당생물학 간의 직접 연계가 가능해졌으며 현재 다른 많은 연구가 진행 중입니다.
생물 직교 화학의 미래와 기회
생물 직교 화학은 과학, 의학 분야에서 다양하게 활용되며 최근 몇 년간 관련 연구가 크게 진척되었습니다. glycoRNA 발견으로 글리코실화 분야의 발전을 촉진했을 뿐만 아니라 약물 전달과 약물 표적 치료에서도 그 활용 가능성을 인정받고 있으며 향후 보다 다양한 용도로 확장될 것입니다. 대표적인 예는 다음과 같습니다.
- 약제 현장(in situ) 합성: 생물 직교 화학은 작은 전구물에서 약물을 조합하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 필요에 따라 약물을 제조함으로써 약물의 효능은 높이고 독성은 줄일 수 있습니다. 약물적 중재 범위도 확장할 수 있습니다.
- 글리칸 표지: 엽산 리간드를 사용하여 아지드 표지 갈락토사민을 함유하는 지질 나노 입자가 생성되었습니다. 종양 조직의 엽산 수용체가 증가하면서 LNP 내재화가 발생했으며 이어서 종양 세포로 적재 물질(cargo)이 배출됩니다. 종양 막이 아지드 기능화된 디벤조사이클로옥틴을 통합하여 종양 세포가 인간 혈청에 노출되면 면역 반응을 일으킵니다.
- 클릭 투 릴리스(Click to release): 이 방법은 생물 직교 화학을 사용하여 약물 방출 시간과 위치를 제어하므로 약물을 통해 표적 세포에 대해 선별적으로 독성을 줄 수 있습니다.
생물 직교 화학은 반응에 대한 지속적인 개발과 세분화 노력을 통해 향후 연구에 중요한 도구 역할을 할 수 있습니다.
생물 직교 화학과 그 다양한 용도에 대한 자세한 내용은 CAS의 Bioconjugate Chemistry 기사 및 관련 CAS Insights 보고서를 참조하십시오.
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