Кіріспе
Химиялық биология – химия және биология салаларының арасындағы ғылыми тәртіп. Бұл тәртіп химиялық әдістерді, талдауды және синтетикалық химия арқылы алынған шағын молекулаларды биологиялық жүйелерді зерттеу және өзгерту үшін қолдануды қамтиды. Биомолекулалар химиясын және жасушалар ішіндегі және арасындағы биохимиялық жолдардың реттелуін зерттейтін биохимиядан жиі шатастырылғанымен, химиялық биология биологиялық сұрақтарды шешу үшін химиялық құралдарды қолдануға баса назар аудару арқылы ерекшеленеді. "Химиялық биология" термині 20 ғасырдың басынан бері қолданылып келеді және оның тамыры 19 ғасырдың басындағы ғылыми жаңалықтарға байланысты. "Химиялық биология" термині алғаш рет 1907 жылы Алонзо Э. Тейлордың "Ашыту туралы" атты кітабында пайда болды, содан кейін 1930 жылы Джон Б. Литстің "Химиялық биологияның тууы туралы Харвеи лекциясы" атты мақаласында қолданылды. Дегенмен, бұл терминнің алғаш рет қашан қолданылғаны белгісіз. Ол биологиялық қосылыстарды бейорганикалық бастапқы материалдардан синтездеуге болатынын көрсетті және бұрынғы витализм тұжырымын – яғни, органикалық қосылыстарды өндіру үшін "тірі" көздің қажеттігін – әлсіретті. Вёлердің еңбегі органикалық химия және табиғи өнімдер синтезінің дамуына зор үлес қосты, олардың екеуі де қазіргі химиялық биологияда маңызды рөл атқарады. Фридрих Мишердің 19 ғасырдың соңында адам лейкоциттерінің жасушалық құрамын зерттеу жұмыстары кейін ДНК деп аталған "нуклеин" ашылуына әкелді. Бұл жұмыс Ватсон мен Криктің ДНК-ның қос спиральді құрылымын ашуына негіз болды. Химиялық биологияға қызығушылықтың артуы осы салаға арналған бірнеше журналдардың құрылуына әкелді. 2005 жылы құрылған Nature Chemical Biology және 2006 жылы құрылған ACS Chemical Biology – бұл саладағы ең танымал журналдардың бірі болып табылады, олардың әсер коэффициенттері тиісінше 14,8 және 4,0-қа тең.
Chemical biology is a scientific discipline between the fields of chemistry and biology. The discipline involves the application of chemical techniques, analysis, and often small molecules produced through synthetic chemistry, to the study and manipulation of biological systems. Although often confused with biochemistry, which studies the chemistry of biomolecules and regulation of biochemical pathways within and between cells, chemical biology remains distinct by focusing on the application of chemical tools to address biological questions. the term "chemical biology" has been in use since the early 20th century, and has roots in scientific discovery from the early 19th century. The term 'chemical biology' can be traced back to an early appearance in a book published by Alonzo E. Taylor in 1907 titled "On Fermentation", and was subsequently used in John B. Leathes' 1930 article titled "The Harveian Oration on The Birth of Chemical Biology". However, it is unclear when the term was first used. It showed that biological compounds could be synthesized with inorganic starting materials and weakened the previous notion of vitalism, or that a 'living' source was required to produce organic compounds. Wöhler's work is often considered to be instrumental in the development of organic chemistry and natural product synthesis, both of which play a large part in modern chemical biology. Friedrich Miescher's work during the late 19th century investigating the cellular contents of human leukocytes led to the discovery of 'nuclein', which would later be renamed DNA. This work would lay the foundations for Watson and Crick's discovery of the double helix structure of DNA. The rising interest into chemical biology has led to the creation of multiple journals dedicated to the field. Nature Chemical Biology, created in 2005, and ACS Chemical Biology, created in 2006, are two of the most well known journals in this field, with impact factors of 14.8 and 4.0 respectively.
Комбинациялық химия
Комбинациялық химия – жоғары өнімділік талдау үшін көптеген байланысты қосылыстарды бірдей синтездеуді қамтиды. Химиялық биологтар белсенді дәрілік заттарды синтездеу және скрининг тиімділігін жоғарылату үшін комбинациялық химия принциптерін қолдана алады. Сонымен қатар, бұл принциптер ауыл шаруашылығы және тамақ өнімдерін зерттеу салаларында, әсіресе табиғи емес заттарды синтездеуде және жаңа фермент тежегіштерін жасауда да пайдаланылуы мүмкін.
Пептид синтезі
Ақуыздың химиялық синтезі химиялық биологияда құнды құрал болып табылады, себебі ол табиғи емес аминқышқылдарын енгізуге, сондай-ақ фосфорилдану, гликозилдеу, ацетилдену және тіпті убиквитинация сияқты "посттрансляциялық модификацияларды" қалдықтарға енгізуге мүмкіндік береді. Бұл қасиеттер химиялық биологтар үшін құнды, өйткені табиғи емес аминқышқылдары ақуыздардың функционалдығын зерттеу және өзгерту үшін қолданылуы мүмкін, ал посттрансляциялық модификациялар ақуыздардың құрылымы мен белсенділігін реттеу үшін жақсы белгілі. Осы мақсаттарға жету үшін қатаң биологиялық техникалар әзірленгенімен, пептидтердің химиялық синтезі көбінесе қажетті ақуыздың шағын мөлшерін алу үшін техникалық және практикалық жағынан жеңілдік береді. Синтез арқылы алынған кішкентай пептидтік фрагменттерден ақуыз мөлшеріндегі полипептидтік тізбектерді жасау үшін химиялық биологтар табиғи химиялық лигация процесін пайдалана алады. Табиғи химиялық лигация C-терминалды тиоэстер мен N-терминалды цистеин қалдықтарының бірігуін қамтиды, нәтижесінде "түпнұсқа" амидтік байланыс пайда болады. Пептидтік фрагменттерді лигациялау үшін алғаш рет табиғи химиялық лигациямен енгізілген ацилдік трансфер химиясын қолданатын басқа стратегияларға экспрессияланған ақуыз лигациясы, күкірттеу/күкіртсіздендіру техникалары және алынып тасталатын тиолдық көмекшілерді пайдалану жатады.
Протеомика үшін байыту әдістері
Химиялық биологтар байыту стратегияларын, химиялық туыстық белгілерді және жаңа зондтарды әзірлеу арқылы протеомиканы жақсартуға жұмыс істейді. Протеомикаға арналған үлгілерде көбінесе көптеген пептидтік тізбектер кездеседі және қызығушылық тудыратын тізбек өте көп немесе аз мөлшерде болуы мүмкін, бұл оны анықтауға кедергі келтіреді. Химиялық биология әдістері аффиниттік хроматографияны қолдану арқылы іріктеу арқылы байытуға мүмкіндік береді, соның арқасында үлгілердің күрделілігі азаяды. Бұл биотин белгісі немесе посттрансляциялық модификация сияқты ерекше ерекшелігі бар пептидті таңдап алуды қамтиды. Антиденелерді, гликопротеиндерді ұстауға арналған лектиндерді, фосфорилденген пептидтерді және таңдалған ферменттерді ұстауға арналған бекітілген металл иондарын пайдаланатын әдістер әзірленді.
Ферменттер зондтары
Энзималық белсенділікті жалпы ақуызға қарағанда зерттеу үшін, ақуыздардың ферментативті белсенді түрін белгілеуге арналған белсенділікке негізделген реагенттер жасалды (Белсенділікке негізделген протеомикаға қараңыз). Мысалы, серин гидролазасы және цистеин протеазасы ингибиторлары өздіксін (суицид) ингибиторларына түрлендірілді. Бұл стратегия тікелей бағыттау арқылы аз мөлшерде кездесетін компоненттерді таңдаулы түрде талдау мүмкіндігін арттырады. Фермент белсенділігін түрлендірілген субстрат арқылы да бақылауға болады. Фермент субстраттарын анықтау – протеомикадағы маңызды қиындықтардың бірі және жасушалардағы сигналдық жолдарды түсіну үшін өте маңызды. Дамытылған әдіс "аналогқа сезімтал" киназаларды қолданады, олар субстраттарды табиғи емес АТФ аналогы арқылы белгілейді, бұл бірегей маркер арқылы көруге және анықтауға мүмкіндік береді.
Биологияны қолдану
Көптеген зерттеу бағдарламалары биологиялық міндеттерді орындау немесе жаңа химиялық әдіс қолдану үшін табиғи биомолекулаларды пайдалануға бағытталған. Осы тұрғыда, химиялық биология зерттеушілері ДНК синтетикалық химия үшін матрица ретінде, өздігінен құралатын ақуыздар жаңа материалдардың құрылымдық негізі ретінде, ал РНК-ны жаңа каталитикалық функцияларды жасау үшін *in vitro* жағдайында эволюцияландыруға болатынын көрсетті. Бұдан өзге, димеризаторлар немесе PROTACs сияқты екі функционалдық топқа ие (екі жақты) синтетикалық шағын молекулалар жасуша ішінде екі белокты біріктіріп, мақсатты белоктердің ыдырауы сияқты маңызды жаңа биологиялық функцияларды синтетикалық түрде тудыра алады.
Бағытталған эволюция
Белок инженериясының басты мақсаты – қажетті құрылымы мен химиялық белсенділігі бар жаңа пептидтер немесе белоктарды жобалау болып табылады. Протеиндердің аминоқышқылдық тізбегі, құрылымы және функциясы арасындағы байланыс туралы біліміміз шектеулі болғандықтан, белгілі бір қасиеттерімен жаңа белоктарды рационалды түрде жобалау өте қиын. Бағытталған эволюцияда генетикалық әртараптандырудың қайталама циклдары, одан кейін скрининг немесе іріктеу процесі зертхана жағдайында табиғи іріктеуді имитациялауға және қажетті белсенділігі бар жаңа белоктарды жобалауға мүмкіндік береді. Тізбектердің үлкен кітапханаларын жасау үшін бірнеше әдіс бар. Ең көп қолданылатындары – ДНК-ны ультракүлгін сәулелендіруге немесе химиялық мутагендерге, қатеге бейім ПТР-ға, дегенеративті кодондарға немесе рекомбинацияға ұшырату. Үлкен тізбектер кітапханасы құрылғаннан кейін, қажетті қасиеттері бар мутанттарды табу үшін іріктеу немесе скрининг техникалары қолданылады. Көбінесе қолданылатын іріктеу/скрининг техникаларына FACS, мРНҚ дисплейі, фаг дисплейі және in vitro компартментализация жатады. Пайдалы варианттар табылды десе, олардың ДНК тізбектері амплификацияланады және одан әрі әртараптандыру мен іріктеу раундтарынан өтеді. Бағытталған эволюция әдістерін дамыту 2018 жылы Фрэнсис Арнольдқа ферменттердің эволюциясы үшін, ал Джордж Смит пен Грегори Винтерге фаг дисплейі үшін химия саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды.
Биоортогональды реакциялар
Қызығушылық тудыратын молекуланы сәтті таңбалау үшін, сол молекуланың оптикалық зондпен химиялық ерекшелікпен әрекеттесуі қажет. Таңбалау эксперименті сенімді деп есептелуі үшін, функционалдау жүйеге ең аз бұрмалаушылық әсер етуі керек. Өкінішке орай, мұндай талаптарға қанағаттандыру жиі қиынға соғады. Органикалық химиктер зертханада қолдана алатын көптеген реакциялар тірі жүйелерде қолжетімді емес. Су және тотығу-тотықсыздануға сезімтал реакциялар жүрмейді, нуклеофильдік шабуылға бейім реагенттер химиялық ерекшелік көрсетпейді, ал үлкен кинетикалық тосқауылдары бар кез келген реакциялар тірі жасушаның салыстырмалы түрде төмен температуралық ортасында жеткілікті энергия таба алмайды. Сондықтан, химиктер жақында биоортогоналды химияның бірнеше әдістерін жасады, олар тірі организмдегі реактивті заттардың араласуына қарамастан, химиялық ерекшелікпен өтеді. Зондтың қызығушылық тудыратын молекуламен байланысуы белгілі бір уақыт ішінде жүруі керек; демек, байланысу реакциясының кинетикасы өте жақсы болуы тиіс. «Клик» химиясы осы қажеттілікті қанағаттандыруға өте ыңғайлы, себебі «клик» реакциялары жылдам, спонтанды, таңдамалы және жоғары өнімді. Алайда, ең танымал «клик» реакциясы – азид пен ациклді алкин арасындағы [3+2] циклоаддициясы мыс катализіне тәуелді, бұл мыстың уыттылығына байланысты тірі организмде қолдануда елеулі мәселе тудырады. Катализаторды қолдану қажеттілігін жою үшін Кэролин Р. Бертоццидің зертханасы алкин түріне ішкі кернеуді енгізу үшін циклдік алкин қолданды. Атап айтқанда, циклооктин азидо молекулаларымен айқын күшпен әрекеттеседі.
Метагеномика арқылы биомолекулаларды ашу
1990 жылдардың соңындағы қазіргі заманғы тізбектеу технологияларының жетістіктері ғалымдарға жеке түрлерді зертханада өсірмей, табиғи орталарындағы организмдер қауымдастықтарының ДНК-сын ("eDNA") зерттеуге мүмкіндік берді. Бұл метагеномдық тәсіл ғалымдарға бұрын сипатталмаған, ішінара нашар өсу жағдайларына байланысты кең ауқымды организмдерді зерттеуге мүмкіндік берді. eDNA-ның көздері топырақ, мұхит, жер асты, ыстық бұлақтар, гидротермальдық телімдер, полярлық мұз қаптары, гиперсольді орталар және экстремалды pH орталарын қамтиды. Метагеномиканың көптеген қолданбаларының ішінде Джо Хенделсман, Джон Кларди және Роберт М. Гудман сияқты зерттеушілер биологиялық белсенді молекулаларды, мысалы, антибиотиктерді табуға бағытталған метагеномдық тәсілдерді зерттеді. Кіші биоактивті молекулаларды өндіретін гендерді анықтау үшін функционалдық немесе гомологиялық скринингтік стратегиялар қолданылды. Функционалдық метагеномдық зерттеулер белгілі бір ерекшеліктері бар молекулалармен байланысты белгілі бір фенотиптерді іздеуге арналған. Гомологиялық метагеномдық зерттеулер, керісінше, бұрын биологиялық белсенді молекулалардың экспрессиясымен байланысты сақталған тізбектерді анықтау үшін гендерді зерттеуге арналған. Функционалдық метагеномдық зерттеулер биологиялық белсенді молекулаларды кодтайтын жаңа гендерді табуға мүмкіндік береді. Бұл сынақтарға антибиотиктердің сынақ микробының өсуін тежейтін аймақтарды тудыратын жоғарғы агар қаптамасы сынақтары және агар табақтағы pH индикаторы арқылы жаңа синтезделген молекулаларға байланысты pH өзгеруін тексеруге болатын pH сынақтары жатады. Химиялық қосылыстармен шақырылатын гендердің экспрессиясын скринингтеу (SIGEX) әдісі, арнайы функциялары бар гендерді іздеу үшін де қолданылды. Сонымен қатар, Global Ocean Metagenomic Survey-дің in silico зерттеуі 20 жаңа лантибиотикалық циклазаны анықтады.
Киназдар
Киназалар арқылы фосфат топтарымен ақуыздардың посттрансляциялық модификациясы барлық биологиялық жүйелердегі маңызды реттеуші қадам болып табылады. Протеинкиназалар арқылы фосфорильдеу немесе фосфатазалар арқылы дефосфорильдеу сияқты фосфорильдеу оқиғалары, ақуыздың белсендірілуіне немесе белсенділігінің жойылуына әкеледі. Бұл оқиғалар физиологиялық жолдардың реттелуіне әсер етеді, сондықтан осы жолдарды талдау және зерттеу қабілеті жасушалық процестердің мән-жайын түсіну үшін өте маңызды. Алайда, фосфопротеомның өте үлкен көлемі, фосфорильдеу оқиғаларының жылдамдығы және классикалық биологиялық және биохимиялық техникалардың физикалық шектеулері осы саладағы білімді дамытуды шектейді. Киназалардың шағын молекулалық модуляторларын қолдану арқылы химиялық биологтар ақуыз фосфорильдеуінің әсерлерін жақсырақ түсінуге мүмкіндік алды. Мысалы, пиридинилимидазол қосылыстары сияқты селективті және селективті емес киназа ингибиторлары, MAP киназа сигналдық жолдарының талдауында қолданылатын қуатты ингибиторлар болып табылады. Бұл пиридинилимидазол қосылыстары АТФ байланысу қалтасын нысанаға алу арқылы әрекет етеді. Бұл тәсіл, сондай-ақ оған ұқсас тәсілдер, шамалы өзгертулермен бірқатар жағдайларда тиімді болғанымен, бұл қосылыстар жалпы қолдану үшін жеткілікті ерекшелікке ие емес. Тағы бір класс қосылыстар – механизмге негізделген ингибиторлар, киназа энзимологиясы туралы білімді бұрын қолданылған ингибициялық мотивтермен үйлестіреді. Мысалы, "бисубстрат аналогы" белгілі бір киназадағы консервативті АТФ байланысу қалтасына және белок/пептидті тану орнына байланысу арқылы киназалық әрекетті тежейді. Зерттеу топтары сондай-ақ киназаларды зерттеу және олардың субстраттарын анықтау үшін АТФ аналогтарын химиялық зондтар ретінде пайдаланды. Фосфомиметик аминқышқылдарын ақуыздарға енгізудің жаңа химиялық әдістерін әзірлеу фосфорильдеу оқиғаларының әсерлері туралы маңызды түсініктер берді. Фосфорильдеу оқиғалары әдетте фосфорильдеуге болатын емес аланин сияқты аминқышқылына белгілі бір фосфорильдеу орнының (серин, треонин немесе тирозин) мутациясы арқылы зерттеледі. Алайда, бұл техникалардың шектеулері бар және химиялық биологтар ақуыз фосфорильдеуін зерттеудің жақсартылған тәсілдерін жасады. Фосфосерин, фосфотреонин немесе аналогты фосфонат имитаторларын табиғи ақуыздарға енгізу арқылы зерттеушілер фосфорильдеудің әсерін зерттеу үшін in vivo зерттеулер жүргізе алады, фосфорильдеу оқиғасының ұзақтығын ұлғайтып, мутациялардың жиі жағымсыз әсерлерін азайтады. Экспрессияланған белокты лигациялау, екі ұшында фосфомиметик молекулалары бар синтетикалық ақуыздарды жасаудың табысты әдісі болып табылады. Сонымен қатар, зерттеушілер пептидтік тізбектегі мақсатты орындарда табиғи емес аминқышқылдарының мутагенезін қолданды. Химиялық биологияның жетістіктері киназалық әрекетті бейнелеудің классикалық әдістерін де жақсартты. Мысалы, флуорофорлар қосылған пептидтік биосенсорлардың (пептидтер) дамуы in vitro байланыс сынақтарының уақыт ажыратымдылығын жақсартты. Киназалық әрекетті зерттеудің ең пайдалы техникаларының бірі – флуоресценттік резонанстық энергияны беру (FRET). Фосфорильдеу зерттеулерінде FRET-ті пайдалану үшін флуоресцентті ақуыздар фосфоаминқышқылы байланысу доменіне және фосфорильдеуге болатын пептидке қосылады. Субстрат пептидінің фосфорильделуі немесе дефосфорильделуі кезінде конформациялық өзгеріс пайда болады, бұл флуоресценцияның өзгеруіне әкеледі. FRET сондай-ақ флуоресценттік өмір бойы бейнелеу микроскопиясымен (FLIM) немесе флуоресценттік конъюгацияланған антиденелермен және ағыс цитометриясымен бірге қолданылып, тамаша уақыт және кеңістік ажыратымдылығымен сандық нәтижелерді қамтамасыз етеді.
Биологиялық флуоресценция
Химиялық биологтар көбінесе флуоресценция техникаларын қолдана отырып, биологиялық макромолекулалардың функцияларын зерттейді. Флуоресценцияның басқа техникаларға қарағандағы артықшылығы – жоғары сезімталдық, инвазивті емес болуы, қауіпсіз анықталуы және флуоресценция сигналын модуляциялау мүмкіндігі. Соңғы жылдары Роджер Й. Циен және басқалардың жасыл флуоресцентті ақуызды (GFP) ашқандығы, гибридтік жүйелер мен кванттық нүктелердің пайда болуы, белоктың орналасуын және функциясын дәлірек бағалауға мүмкіндік берді. Флюорофорлардың үш негізгі түрі қолданылады: кішкентай органикалық бояулар, жасыл флуоресцентті ақуыздар және кванттық нүктелер. Кішкентай органикалық бояулар әдетте 1 кДа-дан кем болады және фототұрақтылық пен жарқырауын арттыру, ал өзін-өзі сөндіруді азайту үшін модификацияланған. Кванттық нүктелердің өте тар толқын ұзындығы, жоғары молярлық сіңіру қабілеті және кванттық шығымы бар. Органикалық және кванттық бояулардың екеуі де антиденелердің көмегінсіз қызығушылық тудыратын белокты тани алмайды, сондықтан иммунобелгілеуді қолдану қажет. Флуоресцентті ақуыздар генетикалық түрде кодталған және қызығушылық тудыратын белокқа біріктірілуі мүмкін. Тағы бір генетикалық таңбалау әдісі – тетрацистеин биарсенидік жүйесі, ол мақсатты тізбекте төрт цистеин қалдығын қамтитын өзгерістерді қажет етеді, бұл мембрана өткізгіш биарсенидік молекулаларды, яғни жасыл және қызыл бояуларды "FlAsH" және "ReAsH" пикомолярлық туыстықпен байланыстырады. Флуоресцентті ақуыздар да, биарсенидік тетрацистеин де тірі жасушаларда экспрессиялануы мүмкін, бірақ эктопиялық экспрессияда маңызды шектеулер бар және функцияның жоғалуына әкелуі мүмкін. Флуоресценттік техникалар белоктың ізі, конформациялық өзгерістер, белок-белок өзара әрекеттесуі, белок синтезі және айналымы, фермент белсенділігі сияқты бірқатар белок динамикасын бағау үшін қолданылған. Белоктың таза қайта таралуын және диффузиясын өлшеудің үш негізгі тәсілі – жеке бөлшекті бақылау, корреляциялық спектроскопия және фотобелгілеу әдістері. Жеке бөлшекті бақылауда жеке молекула бір видеодан екіншісіне бақылау үшін жеткілікті жарық және сиректік болуы керек. Корреляциялық спектроскопия лазер фокусындағы шағын көлемге флуоресцентті нысандардың кіруінен және шығуынан туындайтын интенсивтілік ауытқуларын талдайды. Фотобелгілеуде флуоресцентті ақуыз жасуша ішіндегі аймақта интенсивті жергілікті жарықтандыру арқылы ажыратылуы мүмкін, ал таңбаланған молекуланың тағдыры тікелей бейнеленеді. Микалет және әріптестері HeLa жасушаларында биотинмен конъюгирленген кванттық нүктелерді пайдаланып, жеке бөлшекті бақылау үшін кванттық нүктелерді қолданды. Белоктардағы конформациялық өзгерістерді анықтаудың ең жақсы жолдарының бірі – қызығушылық тудыратын белокты жақын жерде орналасқан екі флюороформен таңбалау. FRET бір флюорофордың екіншісіне қатысты қайта бағытталуынан туындайтын ішкі конформациялық өзгерістерге жауап береді. Флуоресценцияны фермент белсенділігін визуализациялау үшін де қолдануға болады, әдетте сөндірілген белсенділікке негізделген протеомика (qABP) арқылы. qABP-тің мақсатты ферменттің белсенді орнына коваленттік байланысуы, егер фермент сөндіргіштің босатылуы және флуоресценцияның қалпына келуіне жауапты болса, туралы тікелей дәлел береді.
Бакалавриат білімі
Химия кафедраларында биологиялық зерттеулердің көбеюіне қарамастан, химиялық биологияны бакалавриат оқу бағдарламаларына интеграциялауға жасалған әрекеттер жеткіліксіз. Мысалы, Америка Химиялық Қоғамы (АХҚ) химия бакалавры дәрежесіндегі негізгі курстарға биохимияны енгізуді талап етеді, бірақ басқа биологиямен байланысты химия курстары міндетті емес. Химия мамандығы бойынша бакалавриат білімі алу үшін химиялық биология курсы қажет болмаса да, көптеген университеттер қазір бакалавриат студенттері үшін химиялық биологияға кіріспе курстар ұсынады. Мысалы, Британдық Колумбия университеті синтетикалық химиялық биология бойынша төртінші курс ұсынады.