Glycobiology는 전세계에 걸쳐 생물학 및 생물의학 연구를 위한 주요 관심분야로 급속히 떠오르고 있습니다.
단지 구조지원 측면에서 고려하면, 당(sugar)은 복잡한 생명장치 가동에 지극히 중요한 요소로 요즘 널리
인정받고 있습니다.
LTQ ion-trap, hybrid quadrapole time-of-flight mass spectrometer, ID PFG equipped NMR
spectrometers, TOF/TOF, Qq-FTMS 그리고 CCSD, KEGG와 같은 informatics resources -
metabolism과 pathway 백과사전, SimGlycan® - high-throughput fragment finger-printing
program 그리고 GlycoMod, GlycoFragment 등과 같은 구조예측 도구 등이 오늘날의 전문적 유행어
입니다.
그럼 glycobiology는 무엇입니까? 이는 구조, 생합성, 당생물학 및 간단한 유기화학의 saccharides
drawing, 분자 및 세포생물학, 효소학 및 관련 도메인 등과 관련된 모든 학문을 포함합니다. 당(sugars)은
세포와 세포간의 상호작용, 에너지 중간체, 점착 매커니즘, 성장인자 시그널링, 혈액응고, 수용체 바인딩,
혈중 호르몬의 활성조절, 배아 발달 지시 및 구조역할 검색 등 거의 모든 세포 프로세스 범위를 통제하고
영향을 미칩니다.
이 새로운 관점에서, 당의 역할이 복잡한 생명과정의 작용을 이해하기 위해 새로운 열정으로 재검토되고 있다.
The Carbohydrate Involvement
실제로 당이 주목 받기 전에는 일반적으로 DNA에서 시작된 생물학적 정보가 궁극적으로 세포 안과 주변의
실질적인 모든 운영을 제어하는 단백질로 번역된다고 생각했습니다. 하지만 지금은 당이 그들만의 복잡한
언어를 가지고 있고 어쩌면 단백질이나 DNA보다 더 복잡하다는 것이 의심할 여지없이 입증되었습니다.
당분자는 지속적으로 세포의 적절한 기능에 관련된 많은 활동을 조정하고 인도합니다. 사실, 많은
단백질이 적절히 작용하기 위해서 당과 복합분자 형태로 post translational modification됩니다.
다른 주요 거대분자와 비교하여 탄수화물 연구의 진보와 열정이 시들해진 가장 중요한 이유중의 하나는
주로 당 자체 내에서 찾을 수 있습니다. 탄수화물은 구조적으로 매우 복잡합니다. 탄수화물의 복잡성은
DNA와 단백질의 크기와 복잡성에 뒤지지 않습니다. 더군다나, 다방면의 역학 제어 및 영향을 미치는 세포
내부의 home 및 hetero 고분자 화합물의 전반적인 형태에 따라 탄수화물의 복잡성은 계속 증가합니다.
Current Glycomics Trends
그러나, 지난 수십 년간에 걸쳐 탄수화물 사슬구조를 탐구하는 매우 강력한 새로운 기술들이 개발되었습니다.
결과적으로, 제조과정에서 “Glycobiology”라 불리는 완전히 새로운 연구기회의 영역으로 떠오르게 해주는
glycan 및 glycopeptide 분석의 새로운 국경이 열리게 되었습니다.
“Glycobiology”라는 단어는 Oxford Glycobiology Institute의 수석인 Raymond A Dwek. 교수에
의해 처음 만들어졌습니다. Glycobiology는 이제 연구 문헌 및 토론 포럼에서 일반적인 용어입니다.
잘 알려진 Glycobiology 연구과학자인 Ajit Varki 박사는 "Essentials of Glycobiology" 본문에
glycobiology는 “ 탄수화물 화학 및 생화학의 전통적인 학문과 glycan의 세포 및 분자생물학 현대적
이해를 가진 학문의 도래”라고 표기했습니다.
The Scope of Glycomics Research
오늘날 우리는 의심할 여지없이 당분자가 세포 내에서 간단한 구조로 에너지를 제공하는 단순한 장식성분이
아님을 알고 있습니다. 몇 년 전에 이해했던 것보다 생명의 복잡한 디자인에서 당의 관련을 명확히 하는 것이
훨씬 더 중요합니다.
치료 및 진단목적으로 개발 가능성이 번득이는 여러 질환과 질병의 중심부에 Glycans은 있습니다.
Glycans이 복잡하게 관여하는 많은 생화학적 경로와 질병들이 있습니다. 당이 생리적 조건에 영향을 줄 수
있는 여러 통로들이 있습니다.
Glycans are at the center of many disorders and diseases sparking the possibility of
exploiting them for the rapeutic and diagnostic purposes.
아직 명확하지 않은, 다량의 연구과제는, 순열과 조합으로 얼마나 많이 실제 자연계에 존재하는 가능구조를
예측할 수 있는가 입니다. 이는 우리가 활짝 열린 당분야에 막 발걸음을 옮겨 놓았고 그전에 우리에게 약간
심각한 업무를 좀더 지속하는 것으로 보입니다.
What is not yet clear, and is a subject of great deal of research, is how many of the possible
structures that can be predicted by permutation and combination actually exist in nature.
It seems that we have just stepped upon the wide open field of sugars and there is much
running around to do before we get to some serious work.
Analysis of Complex Glycan and Glycopeptide Structures
Glycobiology 연구에서 중요한 미개척분야의 하나가 glycome 암호해독 탐구입니다. Glycome은 세포내
현재 당 개체 패턴이 자유로운지 아니면 glycoproteins, glycolipids 등과 같은 복합형태인지 참조합니다.
이는 일시적으로 관찰할 때마다 동일하지 않고 수시로 변경되어 좀더 의욕을 돋우게 합니다.
완벽한 기능의 glycan은 매우 복잡합니다. 유전코드에서 유래될 수 있는 단백질 구성과는 달리 glycan의
구조와 형태를 쉽게 예측할 수 없습니다. 이것이 얼마나 정확히 만들어지고 조절되는지에 대한 연구를
돋우게 합니다. 하지만, 이 문제를 해결하면 생물의학 연구에 엄청난 혜택이 될 것입니다.
glycan 연구의 또 다른 흥미로운 측면은 단백질의 glycosylation의 생물학적 중요성을 분석하는 것입니다.
신체 내에서 발견되는 단백질의 절반 이상이 당과 결합되어 있습니다. 철저한 프로세스 이해로 N- 및
O-linked 탄수화물의 상세구조를 결정할 수 있습니다.
The process has to be thoroughly understood to determine the specific structures of N- and
O-linked carbohydrates.
Glycobiology가 가지고 있는 거대한 잠재력과 기대를 담보로 많은 제약회사와 바이오 기업들이 이미 R&D
예산을 Glycobiolog에 할당하기 시작했습니다. 현재, 약제내성, 돌연변이 병원체와는 대조적으로 우리의
약제 창고가 빠르게 고갈되는 상태에서, glycomics는 새로운 후보약물의 미개발 소스를 가지고 있습니다.
간략히 말해서, glycobiology 연구의 범위와 기대 가능성은 무한합니다. 기술적으로 향상된 연구은행의
진보를 다양한 분야와 플랫폼에 걸쳐 쉽고 광범위하게 채택할 수 있습니다.
To put it briefly, the scope of glycobiology research and the expected possibilities are
immense. The progress of the research banks much on the technological advances that
can be adopted easily and widely across various fields and platforms.
A Helping Hand
새로운 기술은 glycomics 연구에 관련된 장애물을 빠르게 끅복하고 있습니다.
예를 들어, 탄수화물 microarray는 단백질-glycan 상호작용을의 고속 대량 스크리닝과 분석이 가능한
새로운 기술입니다. DNA microarrays와 마찬가지로, 각각의 특정 glycan 분자를 순응하는 여러 개의
spot을 담고 있습니다. 고속 처리기술로, 탄수화물 microarrays는 세포의 분화와 활성화 동안 단백질
glycosylation 변화의 이해에 특별한 가치를 약속합니다.
NMR 분광기는 glycans 구조분석에 적지 않은 요점을 제공하고 있습니다. 이 기술은 monosaccharide
입체화학, anomeric configuration, 연계 유형과 전체 당 시퀀스를 포함한 oligosaccharides를 특성화
하는데 도움이 됩니다. 복잡한 탄수화물의 1H-NMR 데이터를 얻는게 매우 도움이 됩니다.
좋은 구조 데이터를 얻기 위해 상대적으로 많은 양의 샘플을 필요로 하는 것이 NMR 분광기에 있어서
하나의 문제입니다. 하지만, 이제는 자동 탄수화물 합성기술이 과제에 요구하는 순수 oligosaccharides
필요한 양을 생산할 수 있습니다.
탄수화물 사슬에서 비-탄수화물 존재의 확인은 또 다른 어려운 문제입니다. 더욱이 만약 이들이 사슬의
여러 다른 위치에 존재한다면. 하지만 이 문제는 질량분석기와 같은 방법을 적용하여 해결할 수 있습니다.
Enter Mass Spectrometry
화학적 변형이 없는 연구수단 제공하는 질량분석기의 발달로 탄수화물 분석에 많은 어려움이 극복되었습니다.
질량분석기는 신속하고 정확한 검출 그리고 극소량의 당 샘플을 확인할 수 있습니다. 더군다나, 이러한 정확한
기계는 고급 데이터 분석 및 fingerprinting 프로그램과 결합하여 복잡한 glycan 분자의 구조를 정확하게
결정할 수 있습니다.
세가지 주요 단위인 이온화기, 분석기 및 검출기를 기반으로 다양한 유형의 질량분석기가 있습니다.
하지만, 전기장이나 자기장으로 질량대 전하의 비율로 분자 절편을 분리하는 기본원리는 동일하게
남아있습니다. 질량분석기의 한 유형인 고속 원자 폭격(FAB) 질량분석기는 복잡한 탄수화물 특성화를
위한 강력한 도구입니다. 이는 biopolymer 분석에 중요한 역할을 담당하고 있습니다.
어래이 검출기 기술과 새로운 질량분석기로 이 유형의 기기의 감도가 현저히 개선되었습니다.
몇몇 일반적인 질량 분석기의 이용 가능한 구성은 MALDI-TOF, MALDI-TOF/TOF, Qq-FTMS,
ESI-Ion Trap, ESI-LC/TOF, Fleet Ion Trap LC/MS, Orbitrap-Hybrid MS 및 ESI-Q-q-TOF
시스템입니다. 이러한 모든 시스템에서, 그 구성요소에 따라 화합물을 붕괴시키는 방법이 다릅니다.
질량분석기를 보완하는 또 다른 기술이 분석 크로마토그래피입니다. 고압 액체 크로마토그래피 (HPLC)와
가스 크로마토그래피 (GC)가 특히 glycans에 유용합니다. 이러한 기술은 질량분석기 이온화기 도입에
앞서 크로마토그래픽 성분분석 원리를 기반으로 샘플 중에 있는 혼합성분을 분리합니다.
비록 우리가 지금 우리의 재량에 몇 가지 강력한 기술을 가지고 있더라도, 생성 데이터를 분석하고 알려진
glycans 데이터베이스에 대해 맞춰볼 필요가 있습니다. 그것은 생물정보학에 들어가는 것입니다.
SimGlycan®은 그런 하나의 생물정보학 도구입니다. 자동으로 질량분석 프로파일에서 glycans를
구별합니다. Glycan 클래스, 반응 경로와 효소를 포함한 각 구조에 대한 완전한 정보를 제공합니다.
