'무한한 가능성': 분자를 원자 단위로 변화시키는 화학자들

'골격 편집'이라는 새로운 방법은 물질을 변경하는 매우 간단한 방법을 제공하여 맞춤형 의학 및 지속 가능한 플라스틱 분야에서 세계를 변화시키는 혁신의 길을 열었습니다.

Mark Levin에게 자신의 작업에서 무엇이 그를 흥분시키는지 물어보세요. 시카고 대학의 화학 부교수가 시인으로도 활동할 수 있습니다. “우리는 우주의 다른 어느 곳에서도 존재한 적이 없고, 우리가 개입하지 않았다면 결코 존재하지 않았을 것들을 만드는 것이 핵심인 유일한 과학 분야 중 하나입니다.”라고 그는 열광합니다. "우리는 원자 수준에서 물질을 조작하여 우리가 생각할 수 있는 어떤 목적으로든지 모양을 만들 수 있습니다."

결코 존재하지 않았을 것 중 일부는 인류에게 엄청난 가치가 있습니다. 합성염료부터 셀룰로이드까지, 소재부터 의약품까지, 합성화학은 우리의 세상을 더욱 풍요롭게 만들었고, 우리가 더 오래 살 수 있도록 도와주었습니다.

충분한 노력을 기울이면 오늘날의 화학자들은 상상할 수 있는 거의 모든 분자를 합성할 수 있지만, 사용 가능한 분자 구성 요소에 의존하고 잠재적으로 많은 단계가 필요할 수 있는 방법이 제한되어 있습니다. 버클리 캘리포니아 대학의 화학자인 Richmond Sarpong 교수는 “이를 위해 채택된 접근 방식은 이미 존재하는 분자에 다른 화학 그룹을 추가하여 주변에서만 분자를 변경하는 것입니다.”라고 설명합니다.

많은 유기 화합물의 중심에 있는 탄소 원자 고리 내에서와 같이 기존 분자를 보다 근본적으로 변경하는 경우 Levin은 이러한 원자와 결합을 어린이의 Tinkertoy 세트에 있는 커넥터와 막대에 비유합니다. 장난감을 바꾸는 가장 좋은 방법은 원하지 않는 부분을 빼내고 새 부분을 넣는 것이라고 그는 말합니다. "우리가 화학적으로 할 수 있는 능력이 없다는 사실이 항상 나를 괴롭혔습니다."

즉, 지금까지는 그렇지 않았습니다.

혁신적인 게놈 편집 기술인 Crispr-Cas9에서 부분적으로 영감을 받은 Levin과 Sarpong은 분자 내의 개별 원자를 삽입, 삭제 및 교환하는 새로운 방법을 개발하는 소수의 화학자 중 하나입니다. 그들은 그것을 "골격 편집"이라고 부르며 그것이 그들의 분야와 우리의 세계를 변화시키기를 희망합니다.

"편집"이라는 단어는 화학자들이 나노 핀셋으로 원자를 변경하는 것을 연상시키지만 이는 효율적이지 않습니다. Levin은 화학에서 사용되는 측정 단위를 언급하면서 "두더지를 만들고 싶다면 핀셋을 사용하여 1023번 해야 합니다"라고 설명합니다.

대신, 이 새로운 접근 방식에서는 화학 시약, 촉매 또는 빛을 활용하여 100억 번 편집을 수행합니다. “우리가 본질적으로 하고 있는 일은 핀셋처럼 행동하는 분자를 설계하는 것입니다.”라고 Levin은 설명합니다.

그런 의미에서 골격 편집은 확립된 합성 화학의 연속입니다. 단일 도구라기보다는 끊임없이 성장하는 도구 상자입니다. Sarpong은 “[그것은] 한 가지가 아닙니다.”라고 말합니다. “사물을 보는 새로운 시각을 촉발하고 5년 전에는 상상도 못했던 결과를 낳고 있는 개념이자 사고방식입니다.”

적어도 Sarpong과 Levin의 경우 가장 흥미로운 결과 중 일부는 약물 설계에 있습니다.

과학자들은 일반적으로 질병에서 어떤 역할을 하는 생물학적 표적을 식별한 다음 수십만 개의 분자를 검사하여 이와 상호 작용할 수 있는 "적중" 화합물을 찾는 방법으로 신약을 만듭니다. 화이자의 합성, 염증, 면역학 및 항감염제 화학 책임자인 David Blakemore는 "약물 발견 프로젝트를 위한 분자를 만드는 데는 많은 화학적 단계와 상당한 시간이 필요합니다"라고 인정합니다.

최근 수십 년 동안 컴퓨터를 사용하여 이러한 작업이 점점 더 많이 수행되었으며, 소위 인실리코 스크리닝이 이제 너무 발전하여 합성 화학이 따라잡기 어려울 때가 있습니다.

케임브리지에 소재한 신약 개발 회사 Cresset의 CEO인 Robert Scoffin 박사는 "나는 합리적으로 보이거나 화학의 모든 규칙을 따르는 분자를 설계할 수 있습니다. 그러면 합성 전문가들은 이를 보고 '죄송합니다. , 정말 거기 갈 수가 없어요. 그렇지 않으면 비용이 너무 많이 들어서 거기까지 갈 가치가 없어요.'”