세포에 있는 황화수소를 감지하는 탐침

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-12

화학 생물학: 연구자들이 살아있는 세포에서 황화 수소를 선택적으로 빠르게 감지하는 형광 탐침을 개발했다. 그림. 분자 탐침이 황화 수소와 상호작용해서 형광 생성물을 만든다. 생화학자들은 황화 수소가 중요한 기체 생물학적 신호라고 생각한다. 연구들은 그 분자가 산화적 스트레스에 대항해서 보호하고 뇌 활성을 조절한다고 제안했다. 그러나, 살아있는 시스템에서 그 분자들 연구하기 위한 좋은 방법들이 거의 없다. 이제, 연구자들이 세포 안에서 황화 수소와 접촉할 때 빛을 내는 빠르고, 선택적이고, 민감한 형광 탐침을 보고했다(Anal. Chem. 2014, DOI: 10.1021/ac503806w). 지난 몇 년 동안에, 문헌은 황화 수소를 위한 새로운 탐침들을 강조하는 보고들로 넘쳐났다. 그러나 각각의 탐침은 적어도 한 가지 중요한 측면에서 부족하다고, 한국에 있는 포항공대의 안교한은 말했다. 예를 들어서, 어떤 탐침들은 세포가 만들어내는 적은 양의 황화 수소를 감지할 만큼 민감하지 않다. 다른 것들은 느려서, 빛을 내기 시작하는데 한 시간 이상이 걸린다. 황화 수소의 세포 수준은 빠르게 변해서, 탐침은 이들 변동을 감지 하기 위해서 그 만큼 빠르게 반응할 필요가 있다고 그는 말했다. 빠르고 감도가 높은 탐침들은 난잡하기도 해서, 세포 안에서 호모시스테인(homocysteine), 글루타치온(glutathione), 시스테인(cysteine)과 같은 치올들(thiols)과도 반응한다.“이것이 가장 중요한 문제”라고 그는 말했다. “만약 당신이 다른 바이오치올들(biothiols)도 감지한다면, 당신 몸에서 황화 수소의 변화를 모니터할 수 없다”고 그는 언급했다. 빠르고, 감도가 높으며, 선택적인 황화 수소 탐침을 디자인하기 위해서, 그의 팀은 세포 안에서 치올들을 감지하기 위해서 다른 연구들에서 사용되어온 잘 알려진 생체적합한 형광 염료인 아세단(acedan)으로부터 시작했다. 그들은 황화 수소가 그 분자 위에 있는 마이클 첨가반응(Michael addition) 부위와 반응한 이후에만 형광을 띠도록 그 염료의 구조를 변형시켰다. 그 탐침의 첫 번째 버전은 빠르고 감도가 높았지만, 황화 수소와 함께 시스테인과 글루타치온과도 반응했다. 선택성을 높이기 위해서, 그 연구자들은 그 탐침의 구조를 조정해서, 그것의 페닐(phenyl) 고리에 두 개의 메톡시(methoxy) 기를 더했다. 그들은 이 추가적인 덩치가 작은 황화 수소 분자들이 그 반응 부위에 접근하게 해주는 반면에, 시스테인과 글루타치온과 같은 더 큰 분자들이 그 탐침과 반응하는 것을 막아줄 것이라고 추론했다. 그 전략은 성공한 것으로 보인다; 그 탐침은 황화 수소를 생물학적으로 관련이 있는 농도로 포함하는 완충에서 5분 안에 강한 형관 신호를 방출했지만, 시스테인과 호모시스테인, 글루타치온 주변에서는 주로 어두운 채로 남아있었다. 그들은 50nM의 낮은 농도의 황화 수소를 감지할 수 있었다. “황화 수소의 보통 생물학적인 농도는 이 감지 한계보다 확실히 훨씬 더 높다”고 그는 말했다. 그 연구자들은 그 다음에 그들의 탐침을 인간 암 세포들과 함께 배양했는데, 30분 후에 그 세포들이 밝게 빛났다. 황화 수소 생산 경로의 억제제들은 그 형광 신호를 적어도 절반으로 줄였다. 이것은 그 접근법이 전체 유기체 안에서 효과가 있을지도 모른다는 것을 증명해준다고 그는 말했다. 그는 동물들 안에서 기관 손상이 어떻게 황화 수소 신호전달을 변화시키는지를 연구하기 위해서 그 탐침을 이용할 계획이다. “수백 가지의 형광 탐침들이 발표되었지만, 생물학적 시험들을 위해서 정말로 실용적인 것들은 많지 않다”고 워싱터주립대(Washington State Unversity)에 있는 Ming Xian이 말했다. Xian은 그 팀이 그들의 탐침을 상용화해서 다른 이들도 그것을 사용할 수 있기를 바라고 있다. “이것은 그 영역에 있는 다른 연구자들에게 혜택을 줄 수 있는 정말로 중요한 도구로 보인다”고 그는 말했다. Hydrogen Sulfide.jpg http://cen.acs.org/articles/93/web/2015/01/Sniffing-Hydrogen-Sulfide-Cells.html