생리활성 물질을 광학 영상기법으로 탐색 가능한 화학 프로브의 개발

Abstract

화학 프로브는 생물학적 시스템을 연구하는 데 널리 이용되는 저분자 물질로 생체 내 존재하는 효소, 조효소, 이온 등의 다양한 생리활성 물질들과 선택적으로 반응하여 특정한 물질을 분석할 수 있는 유용한 도구이다. 본 논문이 다루고 있는 연구는 크게 세가지 주제로 나누어 볼 수 있는데, 첫째, 여러 가지 치환체를 갖는 thiophene-substituted aza-BODIPY 를 합성하고 이들 형광물질의 분광학적 특성을 분석하였다. 둘째, 특정효소와 선택적으로 반응하여 형광신호 변화를 나타낼 수 있는 활성기반 프로브를 디자인하여 합성하고 이들 프로브의 세포에서의 효소 반응성을 연구하였다. 셋째, 무기염류와 중금속에 선택적으로 반응하여 비색적 또는 형광적 신호를 갖는 화학 센서를 합성하였다. 첫 번째 주제인 aza-BODIPY 기반 형광물질을 연구하기 위하여 본 연구에서는 기존에 알려져 있던 thiophene 치환체를 활용하여 근적외선 영역의 형광신호를 향상시키고자 하였으며, 이를 위하여 thiophene 골격 자체에 methyl 및 bromine group 을 새롭게 도입하여 이들의 형광신호 변화능을 확인하였다. 이들 group 이 치환된 유도체들은 실제로 20-30 nm 가량 장파장 영역으로 형광신호 이동현상을 나타내는 것을 관찰 할 수 있었다. 두 번째 연구 주제에서는 lysosomal cystein protease 에 속하는 asparaginyl endopeptidase(AEP)를 타깃으로 하는 활성기반 프로브를 합성하여 살아있는 세포 및 그 추출물에서의 효소활성 변화를 확인하였다. 본 연구에서는 일반적인 활성기반 프로브의 구조를 변형하여 효소와 직접 반응하는 electrophile 부분에 naphthalimide fluorophore 를 결합시킴으로써 효소와의 직접반응을 통한 구조적인 변화에 따라 형광신호 변화를 나타낼 수 있도록 프로브를 디자인하였다. 세포추출물 및 살아있는 세포에 프로브를 처리한 뒤 SDS-PAGE 를 활용하여 새로 합성된 프로브가 AEP 와 선택적으로 반응하는 것을 확인하였으며, 공 초점 현미경을 사용하여 살아있는 세포에서의 AEP 활성을 형광신호를 통해 관찰할 수 있었다. 세 번째 연구주제인 저분자 형광화학센서를 개발하기 위해서 본 연구에서는 1, 8-naphthalimide 기반 형광물질에 세 가지 서로 다른 구조를 갖는 수용체 부분을 첨가하여 합성 후에 다양한 이온에 대한 이들 형광물질의 신호변화를 관찰하였다. Phenol group 과 같이 산성의 특징을 갖는 센서는 플루오르 이온(F-)과 시안 이온(CN-)과 반응하여 비색적인 변화를 보이고, quinoline 처럼 염기적 특성을 갖는 물질을 수은 이온(Hg2+)과 선택적으로 결합함으로써 형광신호의 변화를 보이는 것을 관찰하였다. 두 가지 특성을 모두 갖도록 디자인 한 센서는 이들 이온에 각각 반응함으로써 비색적 변화와 형광적 변화를 모두 나타내는 다중결합 화학센서로 작용함을 관찰할 수 있었다. 본 연구를 통해 개발 된 형광센서와 활성기반 프로브는 환경이나 생체 내에 존재하는 중금속 및 음이온을 검출하거나, 치매나 암과 같이 AEP 가 관여하는 것으로 알려져 있는 질병에서의 효소 활성변화를 측정하는데 활용 가능한 매우 유용한 도구가 될 것으로 기대된다. |Small molecule chemical probes that can detect various bioactive molecules, such as ions, enzymes and cofactors are of great interest to many scientists in the field of chemistry and biology, since these probes can serve as a valuable tool to study various biochemical processes in living organisms and environment. In this study, we aim to design and synthesize such chemical probes to study ion levels and enzyme activity. First, we developed several thiophene-substituted aza-BODIPYs, and evaluated their optical properties. All synthesized aza-BODIPYs showed a significant bathochromic shift (20-30 nm) compared to previously developed NIR fluorophores. Second, we developed activity-based probes that can show enhanced fluorescent signals upon reacting with a specific enzyme. These probes selectively labeled asparaginyl endopeptidase in cell extracts and intact live cells compared to a previously developed control probe, but also demonstrated specific signal enhancement in live cell imaging experiments. Third, we developed 1,8-naphthalimide chemosensors for dual-sensing of multiple analytes. These sensors contain a hydrazone linker with a bicyclic receptor group that can show chromogenic signals toward anions and fluorogenic signals toward metal ions. We believe that these sensors respond to anions and cations by two distinct mechanisms, thus enabling dual-mode detection of multiple analyte.