생명화학생명화학 (Life Chemistry)(Life Chemistry)

화학 생물학

• 생명현상의 분자 수준에서의 연구• 화학적 기술을 이용한 생명현상 연구• 신약개발

• 고도의 복합 연구 분야

• 21세기형 연구

Life ChemistryLife Chemistry

Chemical BiologyChemical Biology

유기분자를유기분자를 이용하여이용하여 생명현상을생명현상을 분자수준에서분자수준에서 이해하는이해하는 연구연구 분야분야

- 합성 유기분자 또는 천연물을 이용하여 세포 및 생체내 단백질, 복합당질

그리고 핵산(DNA, RNA) 등의 기능을 분자 수준에서 규명

- 이들 생체고분자를 인위적으로 조작하여 생명현상 규명

- 궁극적으로 질병 치료제를 개발하고자 함

- 생화학은 생명현상에 의해 발생되는 물질들에 대한 분석과 이해를 기초로 하여,

생명현상에서 일어나는 다양한 메커니즘을 화학적인 조작 없이 이해하고자 하는 학문임.

Chemical Biology (Chemical Biology (화학생물학화학생물학))

화학화학생물학생물학

((생화학생화학, , 유전학유전학, , 세포생물학세포생물학 등등) ) ((유기화학유기화학))

Chemical BiologyChemical Biology화학유전학화학유전학 (chemical genetics): 단백질의 기능을 제어할 수 있는 소유기분자를 이용한 세포 및 생체내 단백질 기능 연구- 조합화학 합성법을 이용한 소유기분자 라이브러리 합성- 유기분자에 의한 세포 표현형 연구 및 세포내 단백질의 기능 연구- 화합물칩 제작 및 작용 단백질 검색- 단백질 조작

- 의약제 개발을 위한 단백질의 저해제 및 길항제 합성

화학화학 글라이코믹스글라이코믹스 연구연구 (chemical glycomics)- 탄수화물 합성- 세포내 탄수화물의 인위적인 조작- 탄수화물칩 제작 및 탄수화물 결합 단백질 검색

- 질병 관련 탄수화물 변이 효소(글리코시다아제, 탄수화물 전이 효소 등)의 저해제 개발

핵산화학핵산화학- Antigen 및 antisense 개발 및 응용

- DNA, RNA의 기능 해석 (Ribozyme, SiRNA, Aptamer 등)의약제의약제 및및 의약운반체의약운반체 개발개발- 항암제, 항바이러스제 및 항생제 개발- 표적 지향적 의약제 운반체 개발

- 효과적인 약물 전달체 개발

생체모방생체모방 연구연구- 인공 이온 채널 및 인공 수용체 개발

- 인공 조직 및 인공뼈 개발

바이오이미징바이오이미징 연구연구- 선택적인 단백질 labeling 기술을 이용한 세포내 특정 단백질 이미징- 형광 센서 개발- 방사성 물질을 이용한 metabolite 추적

Collage of Life Science 내에 관련학과BiologyBiochemistryEcologyBiotechnology

Peking UniversityCollage of Chemistry

(Department of Chemistry and Chemical Biology)

School of Biology & Environmental ScienceSchool of Biomolecular & Biomedical Science

University College Dublin, Ireland(Department of Chemistry and Chemical Biology)

Stevens Institute of Technology(Department of Chemistry and Chemical Biology)

BiologyNortheastern University

(Department of Chemistry and Chemical Biology)

Biology Rensselaer Polytechnic Institute

(Department of Chemistry and Chemical Biology)

BiologyBiochemistry and Molecular Biology

Purdue University(Department of Chemistry and Chemical Biology)

Biochemical EngineeringBiochemistryBiological SciencesCell & Developmental Biology Cell Biology & Neuroscience

Rutgers University(Department of Chemistry and Chemical Biology)

Molecular Biology and Genetics Ecology and Evolutionary BiologyMicrobiologyBiological and Environmental Engineering

Cornell University(Department of Chemistry and Chemical Biology)

Molecular and Cellular BiologyHarvard University

(Department of Chemistry and Chemical Biology)

대학내 관련 학과대학명

화학과의 이름을 Department of Chemistry and Chemical Biology로 개명한 대학

Flow of genetic information(DNA → RNA → Proteins → Modified proteins)

Proteins Proteins Proteins

DNADNADNA

CellsCellsCells

Living organisms

Living Living organismsorganisms

CarbohydratesCarbohydratesCarbohydrates

O

OH

HOO

OHO

OHO

OHO

O

OH

HO

OHO

O

HOO

HOHO

OH

NH

HN

NH

HN

NHO

O

O

O

O

H3C CH3

CO2HOH

ON

N

N

O

NN

N

NO

H

N

NN

O

O

NN

N

NNH3C

HH

HH

H

HH

O

O

O

O

O

PO O-

OPO

O-O

Functional Studies of Biomolecules in Cells and OrganismsFunctional Studies of Biomolecules in Cells and Organisms

전사

세포질핵

단백질 합성

mRNA

tRNA

리보솜

Flow of genetic information(DNA → RNA → protein)

Eukaryotes (진핵생물)

Genomics Genomics Genomics

Human genome projectHuman genome project

>30,000 genes

염기서열 해독

~ 30 억개 염기 (인간)

2003년 5월

게놈게놈 시대시대

동물세포동물세포

N

N

N

OH

N

N N

NO

H

N N

N

O

ON

N N

N

NH3C

HH

H

H

HHH

HGuanine Adenine Cytosine Thymine

Purines Pyrimidines

N

N

O

O

H

HUracil

DNA DNA DNA DNA RNA

HH

OHO

HO

OH

(OH)2'-deoxyribose ribose

1'

2'3'4'

5'

BaseO

HO

HO

Base

(OH)2'-deoxyribose ribose

1'2'3'

4'

5'

Nucleosides

O

HO

Base

(OH)2'-deoxyribose ribose

1'2'3'

4'

5'

Nucleotides

O-

O

PO O-

Nucleic acidNucleic acid(RNA or DNA)(RNA or DNA)

ON

N

N

O

NN

N

NO

H

N

NN

O

O

NN

N

NNH3C

HH

HH

H

HH

O

O

O

O

O

PO O-

OPO

O-O

2’-deoxyadenosine 5’-phosphate2’-deoxyguanosine 5’-phosphate2’-deoxycytidine 5’-phosphate2’-deoxythymidine 5’-phosphate

adenosine 5’-phosphateguanosine 5’-phosphatecytidine 5’-phosphateuridine 5’-phosphate

DNADNA

RNARNA

NucleotidesNucleotides

BasesBases

A = TA = TG G ≣≣ C C

Phosphodiester Bonds

Nucleic AcidsNucleic Acids

CellCell

Biosynthesis of ProteinsBiosynthesis of Proteins

4 x 4 x 4 = 64

3개의 stop codon1개의 start codon

Genetic CodeGenetic Code

Natural amino Acids in ProteinsNatural amino Acids in Proteins

HO2C NH2

H

HO2C NH2

CH3

HO2C NH2

HO2C NH2HO2C NH2

Ala, A Val, V Ile, I

HO2C NH2 HO2C NH2HO2C NH2

OH NH

HO2C NH2

SCH3

HO2C NH2

SH

HO2C NH2

OH

HO2C NH2

OH

HO2C NH2

N

HN

NH

CO2H

H

HO2C NH2

NH2

HO2C NH2

NH

H2N NH

HO2C NH2

CO2H

HO2C NH2

CO2H

HO2C NH2

CONH2

HO2C NH2

CONH2

Ser, S Thr, T Met, M Cys, C Pro, P

Phe, F Tyr, Y Trp, W His, H Lys, K

Arg, R Asp, D Asn, N Gln, Q

Gly, G Leu, L

Glu, E

NH

HN

NH

HN

NHO

O

O

O

O

H3C CH3

CO2HOH

NH

NN

NN

O

O

O

O

R R

R R R

O

H

H

H

H

Peptide Bonds

N

O

HN

O-

H

+

planar

Peptide BondsPeptide Bonds

α-helix reverse turn

β-sheet

Primary structurePrimary structurePrimary structure Secondary structureSecondary structureSecondary structure Tertiary structureTertiary structureTertiary structure

Protein StructuresProtein Structures

15

Protein StructuresThe primary structure of a protein is simply the amino acid sequence.The secondary structure of a protein describes how segments of the peptide backbone orient into a regular pattern.- local conformation of the polypeptide backboneThe tertiary structure describes how the entire protein molecule coils into an overall three-dimensional shape. - the overall three-dimensional shape which results from further

folding of the polypeptide chainsThe quaternary structure describes how different protein molecules come together to yield large aggregate structures.

- two or more folded polypeptide chains aggregate into one protein complex.

Helical structure

β-sheetreverse turn

Post-genomic era PostPost--genomic era genomic era Functional genomics and glycomics Functional genomics and glycomics 1998 - ?

Functional studies of proteins and carbohydrates

• Classic genetic approach• Chemical genetic approach

>60,000 genes

4,000 drug targets

Genomics Genomics Genomics ProteomicsProteomicsProteomics GlycomicsGlycomicsGlycomics

후후게놈게놈 시대시대

Classic Genetic ApproachClassic Genetic ApproachClassic Genetic Approach

Random mutagenesisof cells

Identify mutated geneIdentify mutated gene

Mutate single gene

Generate cells

Look for phenotype change

Identify the function of proteinsIdentify the function of proteins

DNA

Select mutant cells with phenotypic change

gene

genex

Forward Forward Forward Reverse Reverse Reverse

Chemical Genetic ApproachChemical Genetic Approach

세포 및 배아 분화조절 유기분자 발굴

표적단백질검출 및 검증

다양한 유기분자라이브러리 합성

유기분자라이브러리

진핵세포 및배아 스크리닝

세포분화기전 규명

생물학생물학 유기화학유기화학 •• 신약후보물질신약후보물질 도출도출

•• 질병질병 표지단백질표지단백질 발굴발굴

세포분화세포분화 연구의연구의

기존기존 유전학적유전학적 방법의방법의 문제점문제점

• 특정 유전자 조작에 따른

세포 성장 불능

• 특정 유전자의 돌연변이는

다른 단백질에 영향을 끼쳐

정확한 기능 규명이 어려움

단백질 기능을 저해시키거나 활성화시킬 수 있는 소유기분자를 이용한 단백질 기능 연구단백질 기능을 저해시키거나 활성화시킬 수 있는 소유기분자를 이용한 단백질 기능 연구

Add one compound per well

Identify protein targetIdentify protein target

Select a compound that produces phenotype of interest

Plate with cells

N

CH3

Find a ligand for protein of interest by HTS

Add a ligand to cells

Assay for phenotype

Identify the function of proteinsIdentify the function of proteins

N

CH3

N

CH3

protein

protein

Forward Forward Forward Reverse Reverse Reverse

Chemical Genetic ApproachChemical Genetic Approach

Functional glycomics Functional glycomics

1998 - ?

Functional studies of carbohydrates

Genomics Genomics Genomics ProteomicsProteomicsProteomics GlycomicsGlycomicsGlycomics

Functional GlycomicsFunctional Glycomics

• 복합당질 구조 및 기능 연구

• 탄수화물-단백질 상호작용 연구

•• 복합당질복합당질 구조구조 및및 기능기능 연구연구

•• 탄수화물탄수화물--단백질단백질 상호작용상호작용 연구연구

복합당질 관련 연구복합당질복합당질 관련관련 연구연구

- 탄수화물 생합성 과정을 방해하는 저해제 개발

- 탄수화물 결합 단백질 저해제 개발

- 탄수화물에 기반을 둔 백신 개발

- 질병 관련 표지 단백질 발굴

-- 탄수화물탄수화물 생합성생합성 과정을과정을 방해하는방해하는 저해제저해제 개발개발

-- 탄수화물탄수화물 결합결합 단백질단백질 저해제저해제 개발개발

-- 탄수화물에탄수화물에 기반을기반을 둔둔 백신백신 개발개발

-- 질병질병 관련관련 표지표지 단백질단백질 발굴발굴

탄수화물 관련 의약제 개발탄수화물탄수화물 관련관련 의약제의약제 개발개발기초 생명현상

• 수정, 발생, 분화, 성장 및 노화

질병 관련

• 암전이

• 염증 유발

• 박테리아 및 바이러스에 의한 감염

기초기초 생명현상생명현상

•• 수정수정, , 발생발생, , 분화분화, , 성장성장 및및 노화노화

질병질병 관련관련

•• 암전이암전이

•• 염증염증 유발유발

•• 박테리아박테리아 및및 바이러스에바이러스에 의한의한 감염감염

탄수화물-단백질 상호작용탄수화물탄수화물--단백질단백질 상호작용상호작용

생명현상 규명

병인 규명

생명현상생명현상 규명규명

병인병인 규명규명

Toxin

Bacteria

Hormone

Virus

Antibody

(Tumor) CellProtein

Functional GlycomicsFunctional Glycomics

Carbohydrates exist in the forms of glycolipids and glycoproteinsCarbohydrates exist in the forms of glycolipids and glycoproteins

세포표면의 탄수화물

탄수화물의 생물학적 기능을총체적으로 연구(글리코믹스)

GlycoconjugatesGlycoconjugates

Monosaccharides Occurring in GlycoconjugatesMonosaccharides Occurring in GlycoconjugatesMonosaccharides Occurring in Glycoconjugates

OHOHO

OH

OHOH

OHOHO

OH

NHAcOH

OOH

HO

OH

OHOH

OOH

HO

OH

NHAcOH

OHOHO

OH

HO

OH

OHOHO

HO2C

OHOH

OHOHO

OHOHO

CO2H

OH

OH

OH OH

OHAcHN

O OH

OHOH

OH

H3C

D-Glucose (Glc) D-N-acetyl glucosamine (GlcNAc) D-Galactose (Gal)

D-N-acetyl galactosamine (GalNAc) D-Mannose (Man) D-Glucuronic acid (GlcA)

D-Xylose (Xyl) L-Fucose (Fuc)N-Acetylneuraminic acid (NeuAc)

O

OH

HOO

OHO

OHO

OHO

O

OH

HO

OHO

O

HOO

HOHO

OH

Glycosidic Bonds

BiochipsBiochipsBiochips

DNA칩

단백질칩

탄수화물칩

고체기판

(1) 마이크로 어레이형 바이오칩 (2) lab-on-a-chip

: 유리, 실리콘 또는 나일론 등의 재질로 된 기판 위에 DNA, 단백질, 탄수화물 또는 세포, 조직

등을 고정화시킨 생물학적 마이크로칩(biological microchips)을 의미

: 유리, 실리콘 또는 나일론 등의 재질로 된 기판 위에 DNA, 단백질, 탄수화물 또는 세포, 조직

등을 고정화시킨 생물학적 마이크로칩(biological microchips)을 의미

• 유전자 결함

• 유전자 발현 양상

• 단백질 분포

• 단백질-단백질 상호작용

• 단백질-탄수화물 상호작용

• 고성능 생체 기능 조절 분자 검색

• 발현형 (phenotype) 조사

• DNA칩 또는 gene칩 (DNA microarray)

• 단백질칩 (protein microarray)

• 세포칩 (cell microarray)

• 조직칩 (tissue microarray)

• 탄수화물칩 (carbohydrate microarray)

종류종류 응용응용

단점단점

• 제작이 용이하지 않다.

• 기판 위에 찍을 수 있는 샘플의 수가 많지 않다.

• 많은 투자가 필요

장점장점

• 한번의 실험으로 1,000개 이상의 assay가 가능

• 적은 양의 샘플만 필요

• 빠른 assay

• 쉽게 원하는 타겟을 확인할 수 있다.

BiochipsBiochipsBiochips

Protein-nucleic acidinteraction

Protein-protein interaction

Carbohydrate-proteininteraction

Glycoprotein-protein interaction

Catalytic activity

1. Protein-protein interactions• Studies on protein network • Find bioactive molecules• Drug discovery

2. Protein-nucleic acid (DNA or RNA) interactions• Find small molecules to regulate gene expression• Drug discovery

3. Protein-carbohydrate (or glycoprotein) interactions• Carbomics• Drug discovery

Carbohydrate chip

Glycoprotein chipProtein chip

Protein chip Protein chip

BiochipsBiochipsBiochips

6060

200200

1 mm

αα--FucFuc αα--ManMan ββ--GlcNAcGlcNAc

αα--FucFucαα--ManMan ββ--GlcNAcGlcNAc

AALAAL--Cy5Cy5ConAConA--FlTCFlTC

TVTV--Cy3Cy3(5.0 mM (5.0 mM concconc))

200200

1 mm

6060

SH SH SH Carbohydrate N

O

OS

Carbohydrate

N OO

Glass slides

microarray

Carbohydrate MicroarraysCarbohydrate MicroarraysCarbohydrate Microarrays

Development of highly specific chemotherapic agents

Development of highly specific chemotherapic agents

Two Approaches for Treating Diseases Two Approaches for Treating Diseases Two Approaches for Treating Diseases

Development of targeted drug-delivery systems

Development of targeted drug-delivery systems

바이러스 박테리아

암세포 정상세포

덴드리머덴드리머

리포솜리포솜

세포질세포질

세포밖세포밖

항암제

암세포

암세포의

DNA 공격

함암제가 암세포의DNA에 결합

암세포암세포 사멸사멸

암세포의 DNA

항생제

박테리아

박테리아 공격박테리아박테리아 박멸박멸

항생제항생제항생제

에이즈 바이러스

항바이러스제바이러스바이러스 박멸박멸

바이러스 공격

항바이러스제항바이러스제항바이러스제

항암제항암제항암제

Drugs Drugs Drugs

Gastric cancer (Gastric cancer (위암위암)) Lung cancer (Lung cancer (폐암폐암))

Uterine cancer (Uterine cancer (자궁암자궁암))Breast cancer (Breast cancer (유방암유방암))

Cancers Cancers Cancers

CancersCancersCancers

주목나무주목나무 (yew)(yew)TaxolTaxol ((천연천연 항암제항암제))

O

OHOBz OAc

OHAcO

HOPh

O

OH

BzHN

N

N

NHN

Me

HN

O

N

NMe

Glivec (Imatinib)

R N

Cl

Cl

Mustard

H3NPt

H3N

Cl

Cl

Cis-platin

Anticancer drugsAnticancer drugsAnticancer drugs

Prevent DNA replication Prevent DNA replication and transcriptionand transcription

(DNA (DNA 복제복제 및및 전사전사 방해방해) ) H3NPt

H3N

Cl

ClCisplatin

R N

Cl

Cl

G

G

C

CR N G

Mustard

G

G

C

C

H3NPt

H3N

N

N

NHN

Me

HN

O

N

NMe

Glivec (Imatinib)

O

OHOBz OAc

OHAcO

HOPh

O

OH

BzHN

Tubulinheterodimers

Microtubuledynamics

X

Tyrosine kinaseinhibitor

세포분열세포분열 방해방해

Taxol

Drug ActionDrug ActionDrug Action

Cytoplasm

Plasma membrane

Cel wall Peptido-glycan

Cytoplasm

Plasma membrane

Cel wall

Plasma membrane

Cytoplasm

Peptido-glycan

periplasmicspace

outermembrane

Gram-positiveGram-positiveGram-negativeGram-negative

BacteriaBacteriaBacteria

Protein synthesis inhibitorsProtein synthesis inhibitorsMacrolides

Aminoglycosidestetracyclines

Cell membrane inhibitorsCell membrane inhibitors

polymyxins

Cell wall inhibitorsCell wall inhibitorsβ-lactams:

Penicillins and cephalosporinsGlycopeptides-vancomycin

O

O

OHOH

O

HO

Et O

O

O

O

NMe2

OH

OMe

OHErythromycin

O

HO OOH

NH2

HOCH2

NH2

OH

O

OH OOH

OH

H2NCH2

NH2

Kanamycin

OH O OHCONH2

OH

OH

HNMe2

HO

Tetracyclin

N NEt

O

Me

CO2H

Nalidixic acid

rifamycin

DNA inhibitorsDNA inhibitors

Transcription-rifamycinsReplication-quinolines

NO

SHN H

CO2H

O

penicillin

NO

HN HR

O

Cephalosporin

S

CO2H

OAc

AntibioticsAntibioticsAntibiotics

β-lactam

NO

SHN H

CO2H

O

penicillin

β-lactam

NO

SHN H

CO2H

O

penicillinβ-lactamase

vancomycinresistancevancomycinvancomycinresistanceresistance

penicillinresistancepenicillinpenicillin

resistanceresistance

Drug ResistanceDrug ResistanceDrug Resistance

AIDS AIDS 환자환자

HIV reverse transcriptaseHIV TAT protein

HIV proteaseHIV integrase

Drug targetsDrug targets

Human Immunodeficient VirusHuman Human ImmunodeficientImmunodeficient VirusVirus HIV life-cycle HIV lifeHIV life--cycle cycle

11

22

33

44

55

66

77

행복한행복한 삶삶

AIDSAIDSAIDS

HIV reverse transcriptase HIV protease inhibitor

N

N

O

O

H3C H

O

HO

N3Zidovudine (AZT)

N

N

OH

OO

HO

SLamivudine

NHN

OH

O

N

N

O NHt-Bu

OH

Indinavir (crixivan)in combination with AZT and lamivudine

AIDS DrugsAIDS DrugsAIDS Drugs

Combinatorial Synthesis Combinatorial Synthesis Combinatorial Synthesis

XX--ray structure ray structure ComputerComputer--based Designbased Design

Rational DesignRational DesignRational Design

Random screeningRandom screening

Rational DesignRational DesignRational Design

N N

O

HO OH

PhPh

PhPh

crystal X-ray diffractometer

X-ray structureComputer-based

design

Identify Identify Drug candidatesDrug candidates

Drug DevelopmentDrug DevelopmentDrug Development

Speed vac

High throughput synthesis

High throughput purification

High throughput analysis

High throughput screening

LC-MS FT-IR

FRET SPA ELISAIdentify Identify Drug candidatesDrug candidates

Combinatorial Synthesis Combinatorial Synthesis Combinatorial Synthesis

NHN

OH

O

N

N

O NHt-Bu

OH

인간 수명인간인간 수명수명

HN

N

NNEtO

O2SN

NCH3

CH3

CH2CH2CH3

O

Viagra (sildenafil)

NO (nitric oxide)NO (nitric oxide)Biological messengers to cause Biological messengers to cause

smooth muscle to relax.smooth muscle to relax.

NO NO synthasesynthase inhibitorinhibitor심장심장 협심증협심증 치료제치료제

Drug for penile erection Drug for penile erection prblemsprblems19981998년년 top selling drugtop selling drug

ViagraViagra