1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

지난해 2022 노벨 화학상을 수상한 분야, 생물직교 화학과 클릭 화학은 생물학적 조건 하에서 빠르고 선택적인 반응을 가능하게 하는 연구 분야입니다. 세포 내에는 다양한 작용기를 가진 수많은 분자들이 존재하며, 이러한 복잡한 세포 내 환경에서 선택적으로 일어나는 생물직교 반응은 생물학적 시스템을 이해하는 데 매우 유용합니다. 따라서 이 기술은 생명과학 및 화학생물학 분야에서 큰 주목을 받고 빠르게 발전하고 있습니다. 지난 10년간의 연구 결과에 따르면, 생물직교 화학은 바이오이미징과 제약 분야에서 가장 두각을 나타내고 있습니다. 생물직교 반응을 통해 라벨링된 형광 기법을 사용하면 다양한 생물학적 메커니즘을 효과적이고 간편하게 시각화 할 수 있기 때문에 생물직교 형광 프로브에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있습니다.

특히, tetrazine 분자는 생물직교반응의 일종인 Inverse Electron Demand Diels-Alder Cycloaddition (IEDDA) 반응을 통해, strained alkene 또는 alkyne과 열이나 촉매의 도움없이 살아 있는 유기체 내에서 빠르고 선택적으로 반응할 수 있는 용이한 분자 입니다. Tetrazine은 유기형광분자와 적절한 링커를 통해 결합될 경우, 형광을 소광시키는 특이한 성질이 있습니다. 이 때 형광체-Tetrazine 접합체가 strained alkene 또는 alkyne과 반응하면 소광되었던 형광이 다시 증폭되어 회복되는 현상을 관찰할 수 있습니다. 이러한 성질을 "fluorogenicity"라고 부릅니다.

기존의 non-fluorogenic한 형광체를 이용한 세포 이미징을 위해서는 여러번의 세척과정들이 필요한 것에 비해, fluorogenic한 tetrazine 형광체들은 세포 내에서 별도의 세척 과정 없이도 background signal을 내지 않고 원하는 타겟에서만 선택적으로 형광 시그널을 나타내기 때문에 실험적인 면에서 매우 유용하다고 알려져 있어 현재 화학생물학 분야에서는 효율적인 tetrazine 프로브를 개발하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있습니다.

이전까지 연구되어온 tetrazine 형광체들은 형광파장 영역에 따라 형광증폭 효율이 다르고, 특히 far-red영역에서 효율이 크게 감소하는 한계점이 있었습니다. 이러한 한계점을 극복하고자 이번 연구에서는 Monochromophoric Design Strategy를 통해 BODIPY 형광체와 tetrazine을 직접적으로 연결하여 BODIPY-Tetrazine fluorogenic probe series를 개발했습니다. 이렇게 개발한 프로브 시리즈는 모든 가시광 영역 (Green to Far-red) 에서 월등히 좋은 형광 증폭 효율을 나타내었습니다.

또한, 합성한 BODIPY-Tetrazine 프로브들과 반응하는 strained alkene/alkyne (trans-cyclooctene/bicycle[6.1.0]nonyne)의 종류에 따라 생물직교 반응 생성물의 형광 증폭 패턴이 다르다는 것을 새롭게 발견했습니다. 구체적으로는, bicycle[6.1.0]nonyne (BCN)과 반응할 때는 수백에서 수천 배의 효율적인 형광 증폭을 보이지만, BODIPY-Tetrazine 프로브가 trans-cyclooctene (TCO)와 반응할 때는 형광 증폭효율을 보이지 않았습니다. 이러한 BODIPY-Tetrazine-TCO의 소광되었던 형광은 hydrophobic한 환경에서 재생되어 증폭되는 현상을 관찰할 수 있었습니다. 흥미로운 점으로는 BODIPY-Tetrazine-TCO의 형광 발광색이 BODIPY-Tetrazine을 BCN과 반응시켰을 때의 형광 발광색과 비교하여 확연한 bathochromic shift 현상을 나타내는 것이었습니다.

이와 같은 BODIPY-Tetrazine의 독특한 광물리적 물성을 활용하여 하나의 생물직교 프로브로 두 가지의 다른 형광색 (orange/far-red)을 발생시키는 데 성공하였으며, 이를 통해 dual-color bioorthogonal imaging을 최초로 구현하였습니다.

연구 과정에서 에피소드로는 원래 처음 프로젝트 디자인 단계에서 기대했던 결과가 나오지 않아 연구 방향성에 대한 고민을 하고 낙심하던 때가 있었습니다. 하지만 이 예상치 못했던 실험 결과에 대해 더 깊이 고찰하고 그 이유에 대해 증명하려는 실험을 하던 중 흥미로운 현상을 발견하게 되어 그 현상을 기반으로 연구를 진행한 결과 이번 논문의 성과로 이어질 수 있었습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

해당 연구는 제가 현재 박사과정을 수학하고 있는 서울대학교 화학부 박승범 교수님 연구실에서 진행되었습니다. 저희 연구실은 화학생물학 연구실(https://hosting01.snu.ac.kr/~sbpark/)로, 난치성 질환의 치료제 개발 및 이와 연관된 생명현상의 탐구를 위한 연구에 초점을 둔 다양한 연구들이 진행되고 있습니다. 구체적으로, 1) 생체내 분자의 관찰과 현상 분석을 위한 새로운 이미징 도구 개발 (Seoul Fluor 및 다양한 형광바이오프로브), 2) 의약 유사 저분자 화합물의 합성 및 라이브러리 구축 (pDOS strategy), 3) 표현형 기반 스크리닝을 통한 생리활성 저분자 물질의 발굴 및 효능 최적화, 4) 발굴한 생리활성 물질의 표적 단백질 규명 (FITGE/TS-FITGE) 등의 폭넓은 분야의 연구들을 유기화학, 생명과학, 수의학 등 다양한 배경을 가진 연구원들이 모여 서로 도우며 진행하고 있습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

워낙 핫하고 빠르게 발전되는 분야의 연구를 하다 보니, 이 세계 어딘가에서 누군가는 똑같은 물질을 만들고 있을 수도 있겠다는 생각을 하며 연구를 진행했던 것 같습니다. 그래서 때로는 초조하고 급한 마음으로 실험을 하고 연구에 임했는데, 논문이 accept되었을때의 안도감과 처음으로 발표했다는 자부심은 이루 말할 수 없었던 것 같습니다. 논문이 발표 되고 난 후, 제가 개발한 프로브를 자신의 연구에 활용해보고 싶다는 다른 연구실 연구원의 제안을 받았었는데 그 순간 정말 큰 보람을 느꼈었습니다. 제가 하는 일이 다른 사람들의 연구에도 도움이 되고, 더 다양한 생명현상을 연구하는 데 기여할 수 있구나 하는 것을 피부로 느낄 수 있었습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

저는 학부 때부터 제가 관심있는 연구분야가 다른 사람에게 도움이 될 수 있으면 좋겠다는 생각을 해왔습니다. 학문적 가치 뿐만 아니라 이 사회와 사람들에게 실질적인 도움을 줄 수 있는 연구를 하고 싶었습니다. 화학생물학은 화학과 생명과학이 융합된 학문으로, 유기 합성을 통해 화합물을 만들어내는 것에 그치지 않고 그 생물학적 의미를 찾아가는 과정을 포함합니다. 특히, 현 시대에는 다양한 질병들이 새롭게 많이 등장하고 있는데, 화학생물학은 질병을 이해하고 극복하는 데 큰 도움이 될 수 있습니다. 이러한 점이 저에게는 굉장히 매력적으로 다가왔으며, 저와 비슷한 생각을 가지고 계시는 분들이라면 화학생물학을 연구하시는 것이 좋은 선택이 될 수 있을 것입니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

이번 연구를 통해 얻은 결과와 경험을 바탕으로, tetrazine을 활용한 프로브 개발 관련 후속연구를 진행하고 있으며, 빠른 시일 내에 보고 하는 것을 목표로 하고 있습니다. 그리고 남은 박사과정 동안에는 다양한 프로브 합성 및 디자인과 더불어 실제 질병 모델에 적용 가능한 스크리닝 시스템을 구축하는 연구를 진행하고자 합니다. 이러한 연구들을 통해 신약개발 과정에 기여할 수 있으면 좋겠습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

먼저 이번 연구가 게재되기까지 아낌없는 지원을 해주시고, 늘 세심하게 지도해주시는 박승범 교수님께 많은 감사를 드립니다. 그리고 실험결과들에 대해 자주 일희일비하던 저와 함께 밤낮으로 고민하며 해결해나가고 멋진 결과를 낼 수 있게 도와준 공동 연구자 김다함 박사와, 항상 옆에서 다양한 방식으로 많은 힘이 되어주는 우리 켐바이오 멤버들에게 감사드립니다.

끝으로, 사랑하는 부모님과 동동이에게 감사의 말씀을 전하고 싶습니다.