살아있는 세포에서 화학반응을 일으키는 In-cell chemical reaction (세포내 화학반응) 개발은 살아있는 생리적인 조건에서 분자를 탐구하는 화학생물학 연구의 중요한 주제입니다. 대표적인 세포내 화학반응으로 20세기 후반에 개발된 생물직교반응은 현재 생물학 연구의 중요한 도구로 자리잡았으며 그 뒤를 이어 2012-2013년에 개발된 근접분자 표지반응 (proximity labeling, PL)은 현재까지 약 10년의 기간동안 다수의 중요한 생물학적인 발견을 이루며 생물학 연구의 중요한 기법으로 자리잡았습니다.

근접분자 표지반응은 과산화효소나 바이오틴 접합효소 등을 세포 내의 특수한 공간에 발현하여 reactive biotin species (예: biotin-phenoxyl radical, biotin-AMP ester)를 발생시키는 촉매 역할을 함으로써 같은 공간에 위치한 반경 20-50nm 이내의 단백질들을 무작위적으로 biotin표지하는 화학 반응으로 정의될 수 있습니다. PL반응에 의해 biotin 표지된 단백질들은 Streptavidin 비드로 분리하여 질량분석될 수 있기 때문에 지금까지 생물학자들이 보지 못했던 “살아있는 상태”의 국소 단백질체의 정보를 알아낼 수 있는 실험 방법으로 현재 각광받고 있습니다. 

본 연구실에서는 이 PL 반응을 생물학 연구 전반에 더 큰 영향을 미치는 파급력있는 방법으로 확장시키기위해서 "공간 대사체" 레이블링까지 활용될 수 있는 도구로 개발하고자 합니다.  이를 위해 살아있는 생체에서 국소대사체를 표지할 수 있는 새로운 효소화학반응을 개발하고 이렇게 개발된 효소들은 대사체 라이브러리와 반응시킴으로 PL 반응을 이용한 국소대사체 분석기법을 확립하고자 합니다. 이렇게 대사체 레이블링까지 할 수 있는 차세대 근접분자 표지화학기술을 바탕으로 대사화학과 관련된 중요한 질문에 답을 할 수 있는 조직/세포내 분자체 지도를 구축하는 연구를 시작할 것이며, 살아있는 세포 환경에서 공간 특이적인 분자표지를 수행할 수 있는 특성을 활용하여 세포소기관 이식 등의 새로운 의료기법으로의 활용도 개척하고자 합니다.

 차세대 근접분자 표지화학 연구의 모식도 (a) 공간 분자체 맵핑에 적용 (b) 세포소기관 이식 적용