""미생물의 찬란한 선물"의 분자 구조는 무엇인가요? 이제 분석이 더 빠르고 쉬워졌습니다!

인터뷰 12

이사, 교수 　　　　　　　　
오무라 사토시 기념 연구소
기타사토 대학 감염관리 연구과
스나즈카 토시아키 교수

""미생물의 찬란한 선물"의 분자 구조는 무엇인가요? 이제 분석이 더 빠르고 쉬워졌습니다!

기타사토대학 오무라 사토시 기념연구소는 2015년 노벨 생리의학상 수상자인 오무라 사토시 박사의 연구 주제를 이어받아 매년 새로운 화합물을 지속적으로 발굴해 왔습니다. 생물학적 특성을 평가하기 위해 미생물이 생산하는 천연물을 찾아 약물 리드 화합물을 발견합니다.

외딴섬과 심해지대를 방문하여 전례 없는 미생물을 발견하다

"오무라 그룹은 새로운 미생물을 발견할 수 있는 특이한 장소, 즉 고립된 섬, 바다의 심해 지대, 심지어 온천과 같은 장소에 관심이 있습니다."

기타사토대학 오무라 사토시 기념연구소 소장 스나즈카 교수는 알려지지 않은 미생물을 찾는 이유를 설명했다. 일부 미생물은 다른 살아있는 유기체에 대한 방어 역할을 하는 XNUMX차 대사산물(생리활성 물질)을 생성합니다. 이러한 화합물은 본질적으로 미생물이 자신의 "적", 예를 들어 생활 위치를 놓고 경쟁하는 다른 미생물에 맞서 생존하기 위한 무기입니다. 그러나 이러한 XNUMX차 대사산물은 종종 인류에게도 유익할 수 있는 의학적 잠재력을 가지고 있습니다.

새로운 미생물을 찾는 것 자체가 어려운 일이지만 신약 발견에 도달하려면 여러 단계가 추가로 필요합니다. 초기 단계는 목적 미생물을 분리, 배양하여 미생물이 생산하는 XNUMX차 대사산물의 생물학적 특성을 평가하는 단계이다. 배양액의 생리활성이 흥미롭거나 유망하다면, 배양액 내 천연물의 화학 구조를 분석할 것입니다. 화합물이 의약화학의 선두주자가 될 가능성이 있는 경우, 우리는 더 높은 효능과 더 낮은 독성을 위한 유도체화를 통한 화학 연구에 착수할 뿐만 아니라, 인접한 화학 공간을 탐색할 수 있는 다용도 경로를 구축하기 위한 전체 합성 연구에 착수합니다.

각 단계에는 높은 수준의 지식과 기술을 갖춘 전문 지식이 필요합니다. 현재 오무라 사토시 기념연구소는 2023개의 연구실과 10개의 연구센터로 구성되어 있다(XNUMX년 XNUMX월 기준). 유망한 후보가 확정되면 연구소 내 여러 그룹이 힘을 합쳐 릴레이 바톤을 넘기듯 연구에 박차를 가한다. 이러한 좋은 팀워크는 매우 효과적인 것으로 입증되었으며, 매년 약 XNUMX가지의 비율로 새로운 천연물을 지속적으로 발굴하는 데 성공합니다.

완료하는 데 XNUMX년이 걸렸던 분자 구조 분석 속도를 획기적으로 단축합니다.

Yellow Book에 수록된 천연물 중에는 아직 분자의 3차원 구조가 해명되지 않은 것들이 몇 가지 있습니다. 기본적으로 우리는 흥미로운 화합물을 발견하면 그 분자 구조를 알고 싶어합니다. 생리활성을 일으키는 부분을 규명하거나, 이를 합성하는 방법을 개발하기 위해서는 정보가 필요하기 때문이다.

분자구조를 밝히기 위해서는 핵자기공명분광법(NMR)이나 X선 구조분석 등의 방법이 일반적이었는데, 기타사토대학 오무라 사토시 기념연구소도 마찬가지였다. 특히, 단결정 X선 구조 분석을 이용하면 X선의 회절 데이터로부터 분자의 3차원 구조를 명확하게 파악할 수 있습니다. 그러나 이 방법의 문제점은 불순물이 없는 대형(100um 이상) 단결정을 준비해야 한다는 점이다. 천연물은 구조가 복잡하고 변동이 크기 때문에 큰 결정을 만들기가 어렵습니다. 많은 시행착오 끝에 데이터를 얻기까지 때로는 XNUMX개월에서 XNUMX년이 걸렸습니다.

2021년 XNUMX월 기타사토대학 오무라 사토시 기념연구소에서 전자회절계 'XtaLAB Synergy-ED'(이하 'Synergy-ED')를 도입했습니다. 이 장비는 X선 대신 전자빔을 조사해 회절 데이터를 이용해 분자 구조를 해명하는 마이크로ED(MicroED) 방식을 채택했다. X선 회절 기술을 보유한 Rigaku Corporation과 전자현미경 기술을 보유한 JEOL이 공동 개발한 시스템으로, 연구소에 납품된 시스템이 최초의 장비입니다.

Synergy-ED의 장점은 수 10 nm에서 수 100 nm의 미세결정에 대한 구조해석이 가능하다는 점이다. 또한, 측정 대상 면적이 매우 작기 때문에 불순물이 있더라도 이를 피함으로써 적절한 회절 데이터를 얻을 수 있습니다. 샘플을 준비하는 데 드는 부하와 시간을 크게 줄일 수 있습니다. 연구 진행 속도가 빨라질 것으로 예상된다.

Kitasato University의 Omura Satoshi Memorial Institute에서 Synergy-ED를 사용하여 여러 화합물을 이미 측정했습니다. 짧은 시간 안에 분자 구조를 밝힐 수 있기 때문에 “새로 발견한 화합물을 논문에 올릴 때 그 안에 분자 구조를 올려 논문의 설득력을 높일 수 있다”고 합니다. (스나즈카 교수)

현재 가장 "획기적인" 악기 - 오무라 박사의 생각

Synergy-ED의 출시는 기부를 계기로 시작되었습니다. 오무라 박사의 노벨상 수상을 보고 감동받은 분이 아낌없이 기부해 주셨습니다. 그 돈은 고가의 악기를 살 수 있을 만큼 충분했습니다. 스나즈카 이사가 그 돈으로 무엇을 사야 할지, 그리고 모든 사람의 이익을 위해 이 돈을 가장 잘 사용할 수 있는 방법을 고민하고 있는 동안, 오무라 박사는 한 가지 요청을 했습니다.

“도쿄이과대학 대학원생 시절, 당시 일본 유일이었던 60MHz 고성능 핵자기공명(NMR) 분광계를 접하게 되었습니다. 이 장비를 분석함으로써 화합물의 구조를 결정하는 데 자신감을 얻었습니다. 이것은 이후 연구자로서의 경력에서 강력한 무기가 되었습니다. 이렇게 후한 기부를 받았으니 가장 "획기적인" 장비를 구입하는 것이 어떨까요? 오늘 가능해?" 이는 일부 연구자에게는 자극이 되고 다른 연구자에게는 무기가 될 것입니다. 기타사토 대학 오무라 사토시 기념 연구소의 기념비이기도 합니다. 그가 연설할 때 염두에 두었던 것은 이것이었습니다.
이 이야기에 이어, Sunazuka 감독은 "획기적인" 악기를 찾고 있을 때 Synergy-ED가 개발 중이라는 소식을 듣고 이를 도입하기로 결정했습니다.

Synergy-ED에 사용된 MicroED 기술은 Howard Hughes Medical Institute의 Tamir Gonen 교수와 그의 동료들이 2013년 말에 발표한 비교적 새로운 방법입니다. 수백 nm 정도의 작은 결정만 얻을 수 있는 화합물의 분자 구조를 분석하는 능력은 실로 획기적인 것입니다. 하지만 전자현미경, 결정구조 분석 등의 노하우가 필요하기 때문에 다소 어렵다고 느끼시는 분들도 있을 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 Synergy-ED는 측정부터 분석까지 원활한 흐름을 제공하여 전문가가 아닌 사람도 사용할 수 있는 전용 전자회절 기기로 사용자의 폭을 넓힌 획기적인 기기입니다.

실제로 기타사토대학에서는 다양한 사람들에게 Synergy-ED를 경험해 왔습니다. 그들 중 일부는 학부생입니다. 연구자뿐만 아니라 학생들도 '미세 결정을 만들 수 있다면 누구나 분자구조를 해명할 수 있다'는 사실을 깨닫고 있으며, 이것이 일반화되고 있다. Synergy-ED는 이러한 새로운 표준을 만든 도구 중 하나일 수 있습니다.

앞으로 오무라 사토시 기념연구소에서는 Synergy-ED를 이용한 여러 가지 분석이 예정되어 있습니다.
그들은 결과를 새로운 천연물 분석과 새로운 연구 기술 개발에 활용하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라 "Yellow Book"에서 천연물의 모든 3D 구조를 밝히고 싶어합니다.
우리는 미생물이 주는 훌륭한 선물을 제대로 이해하고 받아들이고 싶습니다. 그렇게 함으로써 우리는 선물의 가치를 더 잘 이해할 수 있을 것입니다.

게시일: 2023년 XNUMX월

제품

전자 회절계 XtaLAB Synergy-ED

핵자기공명분광기(NMR)