팀은 미세 환경을 조명하여 암 약물의 새로운 길을 개척합니다
Princeton Catalysis Initiative의 회사 파트너가 2 년 전 David MacMillan과 함께 자리를 잡았을 때 잠재적 인 암 치료제 및 기타 치료제의 핵심에 생물학적 도전 과제를 제시했습니다. 세포 표면의 어느 단백질이 서로 접촉합니까?
그들이 원하는 것은 어두운 동굴로 타오르는 탐조등과 유사했습니다. 그것은 단백질 과 은막의 세포막에서 가장 가까운 이웃에 은유 적 인 빛을 비추는 것 입니다. 크고 복잡한 분자 , 단백질은 우리의 모든 것, 즉 우리가 생각하는 방식, 성장하는 방식, 우리가 얻는 질병 등 모든 것을 돌이켜주는 지름의 생명체입니다. 단백질은 이웃에게 메시지를 보내서이를 확인할 수 있습니다. 그러나 과학자들은 이전에 동굴 안에 누가 있었는지 알 수 있었지만 누가 누가 옆에 서 있는지 알 수 없었기 때문에 이러한 필수 단백질 간 통신에 대한 중요한 지식이 부족했습니다.
화학부의 맥밀란 그룹 (McMillan Group)은 현재 과학 문제에서 그들이 탐조등을 개발 했다고 발표했다 .
프린스턴 연구원과 머크 과학자 팀에 의해 μMap이라는 혁신적인 기술은 빛에 의해 활성화 될 때 화학 반응을 촉진시키는 분자 인 광촉매를 사용하여 세포 표면의 공간 관계를 식별합니다. 이 촉매는 단백질과 분자 이웃에 꼬리표를 붙이는 마커를 생성하여 마이크로 환경의 정확한 매핑을 가능하게합니다.
이 기술은 단백체 학, 유전체학 및 신경 과학에 영향을 미쳐보다 명백한 분야를 언급 할 수 있습니다. 그러나 기초 생물학에 대한 응용 프로그램은 매우 광범위하여 프린스턴의 제임스 맥도넬 대학 (University of James S. McDonnell Distinguished University) 화학 교수 인 맥밀란 (MacMillan)은 다른 분야의 과학자들이 무엇을 생각 해낼 수 있는지 "모든 사람의 손에"기술을 적용하기 위해 배고프다.
"현재 우리가 보유하고있는 기술의 경우 문제는 태그를 지정할 수 있는지 여부가 아닙니다 ." "문제는 수천 가지에 태그를 달 수있어서 어떤 방식으로 진행되고 있는지, 바로 옆에 무엇이 있는지 알 수 없다는 것입니다. 서로 신호를 보내는 분자 나 단백질 또는 효소가 일반적으로 옳기 때문에 실제로 매우 중요합니다 "최첨단 기술은 가까운 곳을 알려주지 않습니다."
그래서 그들은 급진적 인 새로운 접근 방식을 고안했습니다.
맥밀란은“우리는 몇 가지 중요한 실험을했으며 곧바로 아주 가까운 거리에 라벨을 붙이고 있음을 알 수 있었다”고 말했다. "우리는 이제 이웃에 무엇이 있는지 정확히 알고 있습니다. 그리고 그것은 전에는 결코 이루어지지 않았습니다. 생물학의 경우, 전등 스위치를 켜고 갑자기 모든 것을 보는 것과 같을 것입니다."
메사추세츠 주 캠브리지에있는 논문 공동 저자 인 Merck Exploratory Science Center (MESC)의 과학자 Rob Oslund와 Olugbeminiyi Fadeyi는이 기술이 생물학의 새로운 발전을 고무시킬 수 있다고 말했다. "셀룰러 미세 환경 내에서 단백질 상호 작용을 이해하는 데 중요한 역할을한다"고 Oslund는 말했다.
마이크로 맵 (micro-map)으로 발음되는 μMap은 특정 단백질 주변의 반경 1-10 나노 미터 내의 이웃을 식별합니다. (참고로, 사람의 머리카락은 약 100,000 나노 미터입니다.)이 수준의 해상도는 10 또는 15 개의 가장 가까운 분자를 식별합니다.
프린스턴 대학교 머크 촉매 센터의 박사후 연구원 인 제임스 제리 (Jacob Geri) 와 대학원생 제임스 오클리 (James Oakley)와 MESC 과학자 인 타마라 레예스-로 블스 (Tamara Reyes-Robles)와의 과학 논문 공동 저자 인 μMap은 블루 라이트 를 사용 하여 전력을 공급 함으로써이를 수행한다고 말했다. 촉매 반응.
작동 원리는 다음과 같습니다. 촉매 (이 경우 유기 금속 화합물)는 세포 표면의 약 4 만 단백질 중 하나에 선택적으로 부착되어 일종의 안테나 역할을합니다. 광 에너지가 매우 높은 블루 라이트가 트리거 역할을합니다. 셀에서 빛을 비추면이 푸른 빛이 안테나에 의해 포착되어 광 에너지를 화학 에너지로 변환합니다. 잠복 에너지는 식지 않습니다. 확산되지 않습니다. 세포막을 따라 겨냥하여 방황하지 않습니다. 그냥 앉아 있습니다.
약 40 년 전에 출판 된 논문을 바탕으로, MacMillan의 그룹은이 잠재 에너지를 특히 수용 할 수있는 diazirine이라는 유기 분자를 사용하는 아이디어를 생각해 냈습니다. 다이아 지린이 0.1 나노 미터 내에서 촉매에 매우 가까이 이동하면 화학 에너지가 다이아 지린으로 이동합니다. 이 diazirine은 차례로 격렬하게 반응하여 부산물을 방출하고, 인접 단백질에 부착되는 "불쾌한"종인 카르 벤 (carbene)으로 불립니다.
Geri 교수는“촉매는 너무 많은 에너지를 전달하여 분자가 스스로 분리되어 믿을 수 없을 정도로 불안정한 탄소 원자를 노출시킨다”고 설명했다.
촉매는이 화학 반응을 여러 번 수행 할 수 있으므로 공정은 모든 국소 분자, 단백질 및 효소에 대해 반복됩니다. 카르 벤은 수명이 짧기 때문에 (몇 나노초 만) 그들의 반응은 모든 인접한 분자의 생생한 실시간 스냅 샷을 제공합니다. 그 후, 연구자들은 과학자들이 찾고 있던 바로 마이크로 환경에 대한 정확한지도를 만들 수 있습니다.
Geri 박사는“이러한 세포들이 서로 대화하는 방식을 통해 많은 질병 기전이 발생하며, 만지면 만질 수있다”고 말했다. "이것이 셀 표면이 매우 중요한 이유입니다. 접촉하면 통신 할 수 있습니다."
"우리는 이제 의사 소통이 어떻게 이루어 지거나 의사 소통이 바뀌고 있는지 알아낼 수 있습니다. 정말 놀라운 경험 이었어요."
MacMillan의 그룹은 조사 할 두 가지 범주의 인간 세포를 선택했습니다. 하나는 상호 작용이 알려진 단백질 클래스로, 이들의 상호 작용이 μMap에 의해 포착 될 수 있음을 증명하기 위해 일종의 대조군으로 선택되었습니다. 두 번째 그룹은 "더 재미 있었다"고 Geri는 말했다. 그것은 신체의 면역계 및 암 세포에 대한 반응과 관련된 PD-L1 및 PD-1이라는 단백질을 중심으로했습니다.
일반적으로, 암 세포와 같은 아픈 세포는 면역계에 의해 제거 될 필요가있는 분자 인터 로퍼로서 존재할 것이다. 그러나 맥밀란은 암세포가 기만적이라고 말했다. 그들은 PD-L1과 PD-1 축과 관련된 클로킹 메커니즘을 통해 "죽지 말아라"신호를 보낸다. 암 치료법은 부분적으로 그 신호를 차단하는 능력에 따라 성공하기 때문에 과학자들은 암 치료법에 대해 더 많이 알고 싶어합니다. 정확한 이웃을 매핑하는 것은 필수 초기 단계입니다. 연구자들이 PD-L1 및 PD-1에 μMap 촉매를 넣을 때, 미세 환경의 분자에 꼬리표가 붙습니다. 이전에 가정 된 단백질-단백질 상호 작용은 이제 직접 관찰 될 수있다. 그리고 전혀 상상하지 못한 몇 가지 상관 관계가 발견되었습니다.
맥밀란은“이제 우리는 암 생물학을하지 않는다”고 말했다. "그러나 우리는이 암 세포에 대한 많은 정보를 제공 할 수있는이 도구를 발명했습니다.이 정보를 사용하면 간섭 신호를 제거하는 방법으로 이러한 단백질을 대상으로 시작할 수 있습니다. 그리고 제거 할 수 있다면 그 신호를 통해, 당신은이 암 세포를 따라가는 데 면역계를 더 잘 만듭니다. "
맥밀란이 프린스턴에 도착한 직후, 그는 이전에는 불가능했던 화학의 위업을 수행하기 위해 청색 LED 조명 을 활용 하는 연구를 시작했습니다 . 머크는 2006 년 맥밀란의 연구에 종자 기증으로 참여했습니다. 이 회사는 이후 추가 자금을 기부했으며 2019 년 에 새로운 연구 분야의 발견을 가속화하기 위해 학제 간 협력 을 촉진하는 Princeton Catalysis Initiative에 대한 10 년 자금 지원 약속을 발표했습니다 .
머크의 Fadeyi 박사는“우리의 협력은 포토 레 독스 촉매 작용을 이용하여 중요한 종류의 유기 분자 인 다이아 지린을 시간 제어 방식으로 활성화시키는 새로운 세포 화학 접근 방식을 만들었다”고 말했다. "화학 생물학 및 생물학 내에서 diazirines의 일상적인 사용으로 인해,이 방법은 단백질 라벨링뿐만 아니라 다른 생체 분자의 결합 역할을 규명하여 기능적 역할을 밝히기위한 수요가 높을 것입니다."
그는 "Merck 과학자와 Dave의 실험실 사이의 긴밀한 상호 작용으로 인해 성공적인 협력이 이루어졌다"고 덧붙였다.
맥밀란은 마찬가지로 프린스턴 촉매 이니셔티브 (Princeton Catalysis Initiative)가 2018 년에 처음 등장했을 때와 같은 학계 및 산업계의 협업 가치에 대한 증거로이 발견을 높이 평가했습니다.
"화학자로서 우리는 생물학에 관한 좋은 질문을 전혀 모른다"고 그는 말했다. "따라서 당신은 생물학에 관한 모든 것을 알고있는 사람들을 데려 가고 있으며, 그들이 해결하려고하는이 문제가 있습니다. 그리고 그것은 화학 그룹에게는 궁극적으로 큰 문제입니다. 동시에, 그것은 화학 그룹은 생물학을 알지 못하기 때문에 생각할 것입니다. 여러분은이 두 가지 영역을 가지고 있고 그것들을 합치면 당신이 할 수있는 모든 위대한 일들을 깨닫기 시작합니다.
"이것은 내가 과학의 사회 과학에 대해 좋아하는 것"이라고 덧붙였다. "이것은 마을이 문제를 해결하는 방법을 보여주는 아름다운 예입니다."