당은 세포의 정상적인 생리 과정에 필수적일 뿐만 아니라 병리 과정에서도 중요한 역할을 합니다. 박테리아와 바이러스는 당을 인식하여 숙주를 감염시키기도 합니다. 당은 여전히 파악하기 어려운 연구 주제이지만, 최근 여러 분야의 연구자들로부터 당생물학 분야가 큰 관심을 받고 있습니다. 이러한 도구 중 하나가 생체 직교 화학이며, 이는 단백질과 펩타이드에 부착된 탄수화물 구조인 글리칸을 이미징하는 데 사용될 수 있습니다(그림 1).
최근 캐롤린 버토지(Carolyn Bertozzi) 연구팀은 생체 직교 화학을 사용하여 새로운 생체 분자인 글리코RNA(glycoRNA)를 발견하는 놀라운 성과를 거두었으며, 이는 생체 직교 화학 분야의 연구를 선도해 왔습니다. 버토지 연구팀은 수년간 생체 직교 화학이라는 용어를 만들었습니다. 여기에서는 생체 직교 화학의 세계와 그 응용 분야, 특히 이 기술이 어떻게 당생물학 분야를 발전시켰는지, 그리고 앞으로 어떤 기회가 있는지 자세히 살펴봅니다.
글리칸은 세포 표면 수용체의 세포 외 도메인에 부착되어 있습니다(그림 1). 글리칸은 세포 표면 수용체의 세포 외 도메인에 연결되어 있습니다. 생체 직교 화학이란 무엇인가요? 생체 직교 화학이라는 용어는 수년간 이 분야를 개척해 온 버토지 연구팀이 만들었습니다. 생체 직교 화학은 생체 분자에 미치는 영향을 최소화하거나 생화학적 과정에 간섭하지 않으면서 생물학적 환경 내에서 일어날 수 있는 일련의 반응입니다. 생체 직교 화학 공정은 생물학적 시스템에서 반응이 제대로 일어나기 위해 필요한 엄격한 기준을 충족합니다.
반응은 생리적 환경의 온도와 pH에서 일어나야 합니다. 반응은 선택적으로 높은 수율로 생성물을 제공해야 하며, 복잡한 생물학적 환경에 존재하는 물이나 내인성 친핵체, 친전자체, 환원제 또는 산화제의 영향을 받지 않아야 합니다. 반응은 낮은 농도에서도 빠르게 진행되어 안정적인 반응 생성물을 형성해야 합니다. 반응은 생물학적 시스템에 자연적으로 존재하지 않는 작용기를 포함해야 합니다. 생체 직교 화학은 어디에 사용되나요? CAS Content CollectionTM을 통해 2010년부터 2020년까지 생체 직교 화학 응용 분야의 출판물 동향을 분석할 수 있었습니다(그림 2). 2010년에서 2020년 사이 생체 직교 화학의 가장 중요한 용도는 이미징이었으며, 그 뒤를 이어 약물 개발 및 전달이 차지했습니다.
2010년부터 2020년까지의 생체 직교 화학 출판물 수. 그림 2. 2010년부터 2020년까지의 생체 직교 화학 출판물 수. 삽입된 그래픽은 비교를 위해 생체 직교 화학 출판물의 총량을 나타냅니다.
(*2010년은 "생체 직교 화학"이라는 용어가 포함된 문서 수가 전년 대비 크게 증가한 첫해였기 때문에 초기 기준점으로 선정되었습니다. "생체 직교"라는 용어가 포함된 전체 문서의 약 90%가 2010년 이후에 출판되었습니다.)
또한, 단백질 생체 직교 화학 관련 출판물이 가장 많은 수를 차지하는데, 이는 이러한 방법이 가장 잘 확립되어 있기 때문일 가능성이 높으며, 비교적 새로운 분야인 글리칸을 포함한 다른 분야도 꾸준히 증가하고 있습니다(그림 3).
2010년에서 2020년 사이 CAS Content Collection의 생체 직교 화학 및 특정 용도 관련 문서. 그림 3. 2010년에서 2020년 사이 CAS Content Collection의 생체 직교 화학 및 특정 용도 관련 문서. 삽입된 그래픽은 같은 기간 동안의 생체 직교 화학 분야 연간 출판물을 나타냅니다. 글리칸 이미징: 생체 직교 화학은 글리칸의 구조, 위치 및 생물학적 기능을 이해하는 데 필수적인 도구임이 입증되었습니다. 글리칸은 세포벽에서 흔히 발견되는 펩타이드, 단백질 및 지질에 부착된 올리고당으로, 세포 유형을 선택적으로 시각화하는 데 사용할 수 있습니다. 글리칸 대사 전구체에는 아지드, 말단 알킨, 변형 알킨 등 많은 생체 직교 기능기가 포함되어 있습니다. 글리칸은 적절한 생체 직교 파트너를 사용하여 시각화할 수 있습니다. 예를 들어, 아지드는 스타우딩거(Staudinger) 또는 트레이스리스 스타우딩거 라이게이션을 통해 포스핀 함유 에스테르나 티오에스테르로 확인하며, 말단 알킨이나 변형 알킨은 각각 CuAAC 또는 SPAAC를 사용하여 식별합니다.
당생물학을 발전시키는 생체 직교 화학: 지금까지 RNA는 당화의 주요 표적이 아니었습니다. 그러나 최근 대사 표지 및 생체 직교 화학을 사용하여 가능해진 중요한 발견은 "글리코RNA"의 발견이었습니다. 라이언 A. 플린(Ryan A. Flynn) 박사가 이끄는 버토지 연구팀은 다양한 화학적 및 생화학적 접근 방식을 사용하여 보존된 소형 비암호화 RNA가 시알릴화된 글리칸을 보유하고 있으며, 이러한 글리코RNA가 배양 세포 및 생체 내 여러 세포 유형과 포유류 종에 존재한다는 사실을 발견했습니다.
이 발견을 위해 사용된 전략은 클릭 가능한 아지드 그룹으로 기능화된 전구체 당을 사용하여 세포나 동물을 대사적으로 표지하는 것이었습니다. 아지도당은 세포 글리칸에 통합된 후 농축, 식별 및 시각화를 위해 비오틴 프로브와 생체 직교 반응을 가능하게 합니다. 시알산의 아지드 표지 전구체인 퍼아세틸화 N-아지도아세틸만노사민(Ac4ManNAz)을 사용하여 표지된 세포에서 고도로 정제된 RNA 제제를 준비한 결과 아지드 반응성이 나타났습니다. 글리코RNA의 조립은 표준 N-글리칸 생합성 기구에 의존하며 시알산과 푸코스가 풍부한 구조를 형성합니다. 살아있는 세포에 대한 추가 분석 결과, 대부분의 글리코RNA는 세포 표면에 존재하며 여기서 항-dsRNA 항체 및 Siglec 수용체 계열 구성원과 상호작용하는 것으로 밝혀졌습니다. 글리코RNA의 역할을 규명하기 위한 추가 연구가 필요합니다.
생체 직교 화학의 도움으로 RNA 생물학과 당생물학 사이의 직접적인 연결 고리가 확립되었으며, 이제 탐구해야 할 다른 많은 발견이 남아 있습니다.
생체 직교 화학의 미래는 어떤 기회를 제공할까요? 생체 직교 화학은 과학 및 의학 분야에서 광범위하게 응용되며 최근 몇 년 동안 연구를 크게 발전시키는 데 사용되었습니다. 글리코RNA 발견을 통해 당화 분야를 발전시켰을 뿐만 아니라 약물 전달 및 약물 표적화 분야에서도 유망한 응용 가능성을 보여주었으며, 향후 그 사용 범위는 더욱 확대될 것으로 보입니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다.
제약 물질의 현장(in situ) 합성: 생체 직교 화학은 더 작은 전구체로부터 약물을 조립하는 데 도움이 될 수 있습니다. 필요할 때 약물을 생성함으로써 약물의 효과를 높이고 독성을 줄일 수 있으며, 약리학적 개입의 범위도 확장될 수 있습니다. 글리칸 표지: 엽산 리간드를 사용하여 아지드 표지 갈락토사민을 포함하는 지질 나노입자가 생성되었습니다. 종양 조직에 엽산 수용체가 증가함에 따라 LNP 내재화가 발생하고 이후 종양 세포로 화물이 방출되었습니다. 종양 막은 아지드 기능화된 디벤조사이클로옥틴을 통합하여 종양 세포가 인간 혈청에 노출되었을 때 면역 반응을 유발했습니다. 방출 클릭: 이 방법은 생체 직교 화학을 사용하여 약물 방출의 시기와 위치를 제어함으로써 표적 세포에 선택적으로 독성을 나타내는 약물을 생성합니다. 반응의 지속적인 개발과 개선을 통해 생체 직교 화학은 향후 연구를 위한 중요한 도구가 될 것입니다.
생체 직교 화학과 그 광범위한 응용 분야에 대한 자세한 내용은 Bioconjugate Chemistry에 게재된 당사의 논문과 관련 CAS Insights 보고서를 참조하십시오.
