연구성과

당류의 선택적 인지 및 안정화를 이루는 수용체 규명

2013-12-12692
당류의 선택적 인지 및 안정화를 이루는 수용체 규명
당류의 감지 및 운반, 구조 변화 등 의약분야 응용가능 –
 

 
김기문 교수, 고영호 박사, 나타라잔 박사, 장윤정 박사과정생

국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 기초과학연구원(원장 오세정·IBS) 「복잡계자기조립연구단」(단장 김기문, POSTECH 교수)은 당류의 선택적이고 안정화된 담지를 가능하게 하는 합성수용체의 메커니즘을 규명했다고 12일 밝혔다.
 
 쿠커비투[7]릴(CB[7])’의 강력한 주인-손님 상호작용을 이용하여 수용액상에서 당류의 선택적 담지 및 안정화를 보고한 이번연구는 생체 내 존재하는 당류의 담지와 이를 활용한 아미노당 항생물질의 운송·감지에 대한 응용가능성을 제시했다.또 선택적인 약물담지 및 전달을 통해 의약분야에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
 
CB[7]은 쿠커비투[n]릴(CB[n])의 한 종류로, 단단하고 분자 안의 빈 공간을 지니는 호박모양의 거대(초미세 분자보다 큰) 고리 분자이다. CB[7]의 빈 공간 및 CB[7]의 입구에 존재하는 카르보닐기(carbonyl)는 강한 이온-쌍극자 상호작용을 기반으로 하여 유기 암모늄 이온과 안정적이고 강력하게 주인-손님 복합체의 형성을 가능케할 것으로 연구진은 예상했다. 연구진은 호박모양의 고리 분자인 쿠커비투[7]릴이 수용액인 물에서 당을 선택적이고 강하게 결합함을 확인했으며 아미노 당류의 알파 아노머에 대한 초분자 안정화를 구현했다.또 당류는 물 속에서 수화작용으로 인해 알파와 베타 두 가지 아노머 상태로 함께 존재하는데 이번 연구로 당류가 CB[7]를 통해 알파 아노머 상태로만 존재함을 밝혀냈으며 이는 지금까지 보고된 바 없어 학문적으로도 가치가 있다.이번 연구성과는 지난 6일 세계적 학술지인 「안게반테 케미(Angewande Chemie)」 온라인에 게재*됐다.
 
IBS 김 단장은 “이번 연구 결과로 기존의 인공 수용체가 보여주기 어려웠던 당류의 인지 및 구조의 안정화를 보임으로써, 생체내의 일련의 과정의 탐지 혹은 약물전달시스템에 새로운 가능성을 제시한다는 점에서 의미있다”고 말했다.
 
한편 아미노 당류는 많은 생물학적 과정과 질병의 생체지표 역할을 하는 아미노당항생물질의 중요 요소로 인공수용체를 이용한 아미노 당류의 인지에 관한 중요성이 대두되고 있다.수용액상에서 작용하는 인공 당류 수용체는 감지 및 약물전달 등과 같은 분야로의 응용이 가능하다. 당류의 구조변화(아노머릭 효과·anomeric effect)의 연구에도 탁월한 역할을 한다.
 
* 논문제목 : ‘쿠커비투[7]릴: 아미노 당류와 강력한 상호작용을 보이는 주인분자를 이용한 수용액상에서의 알파 아노머 초분자 안정화’(Cucurbit[7]uril: A High Affinity Host for Encapsulation of Amino Saccharides and Supramolecular Stabilization of Their a-Anomers in Water), 제1저자 POSTECH 장윤정 박사과정생포스텍 고영호 박사, 교신저자 : IBS 복잡계자기조립연구단 김기문 단장인도화학생물학연구소 라말링감 나타라잔(Ramalingam Natarajan) 펠로우

1. 연구배경
아미노당류는많은생물학적과정과질병의생체지표의역할을한다. 또한이들은아미노당항생물질(aminoglycoside)중요요소이기도하다.
비공유결합을기반으로수용액상에서작용하는인공당류수용체(artificial saccharide receptor)생화학또는초분자화학분야에서매우흥미로운주제이다. 인공당류수용체는감지약물전달등과같은분야로의응용이가능하다.
당류수용체는아노머릭효과(anomeric effect)연구에탁월한역할을한다. 입체전자효과(stereoelectronic effect)알파아노머(α-anomer)안정화를유도하며, 수화작용(hydration)베타아노머(β-anomer)로의변광회전현상(mutarotation)유도한다.
하지만기존의당류수용체의경우우선당류와물분자의분리와그에따른선택적인당류와의결합에있어어려움존재했다.
 
2. 연구내용
연구진은쿠커비트[7](CB[7])수용액상에서강력하고선택적으로아미노당류를인지함을발견하였다. 또한 CB[7]아미노당류의변광회전현상을막아이전에보고된적없는알파아노머의안정화를보임을규명하였다.
CB[7]쿠커비투[n](CB[n])종류이며, 단단하고내부에소수성공동을지니는호박모양의거대고리분자이다. CB[7]공동과입구에존재하는카르보닐기(carbonyl)소수성상호작용과강한이온쌍극자상호작용을기반으로하여유기암모늄이온과안정한주인손님복합체의형성을가능하게한다. 이에 CB[7]아미노당류를소수성공동에강력하게담지가능하리라예상하였다. 이에 NMR MALDI-TOF, ITC 분석을통하여이러한현상을확인하였다.
ITC 분석으로 CB[7]물에서아미노당류에대해강력한결합(갈락토사민, Ka = 1.6 x 104 M-1)보임을있었다. 또한 NMR 분석을통해복합체는물에녹아있지만, CB[7]소수성공동이당류를담지하여알파아노머의변광회전현상을막아아미노당류가공동안에서알파아노모로존재함을있었다.
이러한결과를기반으로 CB[7]아미노당항생물질인네오마이신(neomycin)패로모마이신(paramomycin)강하게결합하는것을확인하였다.
 
3. 기대효과
연구에서는초분자를이용하여기존의인공수용체가보이지못했던수용액상에서아미노당류에대한강한결합을보였으며, 물속에서당류의알파아노머의안정이라는새로운현상을구현하였다.
아미노당류에대한 CB[7]결합력과 CB[7]기능화를융합한다면생체내에존재하는글라이칸(glycan)분석을위한인공렉틴혹은세포와세포의상호작용을탐지할지질(lipid)-CB[7] 접합체와같은응용을기대할있다. 더불어, CB[7]아미노당항생물질등의약물의운송과감지에도유용할것이다.
 
용어설명
1. 아미노당류
당류의종류로수산기가아미노기로치환된당이다. 자연계에널리존재하는것은글루코사민과갈락토사민이며, 주로다당류의성분으로서발견된다.
2. 아미노당항생물질
아미노당류를기반으로하는항생물질로, 세균의단백합성을억제함으로써향균작용을나타낸다.
3. 아노머릭효과(anomeric effect)
사이클로헥세인고리의이종원자(heteroatom)이웃해있는치환기가축방향(axial orientation)으로위치하려는현상
4. 아노머(anomer)
당류가분자내에고리모양을형성했을생길있는환상입체이성질체
5. 변형회전현상(mutarotation)
호변이성질체, 아노머등이존재하는광학활성체를용해시켰을시간의경과와함께그들의비광선도가변하는현상. 당류의경우수용액상태에서알파형, 베타형을오가며구조가바뀌는현상을일컽음
6. 카르보닐기(carbonyl)
산소원자와이중결합으로결합된탄소원자가있는기능기(C=O)
7. 이온쌍극자상호작용
전하를이온과극성을분자사이에작용하는인력