Химическая биология

редактировать
Научная дисциплина

Химическая биология - это научная дисциплина, охватывающая области химии и биология. Дисциплина включает применение химических методов, анализа и часто малых молекул, полученных с помощью синтетической химии, для изучения биологических систем и управления ими. В отличие от биохимии, которая включает изучение химии биомолекул и регуляцию биохимических путей внутри и между клетками, химическая биология имеет дело с химией, применяемой к биологии (синтез биомолекул, моделирование биологических систем и т. Д.).

Содержание

  • 1 Введение
  • 2 Представляющие интерес системы
    • 2.1 Методы обогащения для протеомики
    • 2.2 Ферментные зонды
    • 2.3 Гликобиология
    • 2.4 Комбинаторная химия
    • 2.5 Использование биологии
    • 2.6 Синтез пептидов
    • 2.7 Направленная эволюция
    • 2.8 Биоортогональные реакции
    • 2.9 Открытие биомолекул посредством метагеномики
    • 2.10 Киназы
    • 2.11 Биологическая флуоресценция
  • 3 См. Также
  • 4 Ссылки
  • 5 Дополнительная литература
    • 5.1 Журналы

Введение

Некоторые формы химической биологии пытаются ответить на биологические вопросы, непосредственно исследуя живые системы на химическом уровне. В отличие от исследований с использованием биохимии, генетики или молекулярной биологии, где мутагенез может предоставить новую версию организма, клетки, или представляющая интерес биомолекула, системы химических биологических зондов in vitro и in vivo с небольшими молекулами, которые были разработаны для конкретной цели или идентифицированы на основе биохимических или клеточный скрининг (см. химическая генетика ).

Химическая биология - одна из нескольких междисциплинарных наук, которые имеют тенденцию отличаться от более старых, редукционистских областей и чьи цели состоят в достижении описания научного холизма. Химическая биология имеет научные, исторические и философские корни в медицинской химии, супрамолекулярной химии, биоорганической химии, фармакологии, генетике, биохимия и метаболическая инженерия.

Интересующие системы

Методы обогащения протеомики

Биологи-химики работают над улучшением протеомики путем разработки стратегий обогащения, меток химического сродства и новых зондов. Образцы для протеомики часто содержат много пептидных последовательностей, и интересующая последовательность может быть широко представлена ​​или иметь низкое количество, что создает барьер для их обнаружения. Методы химической биологии могут снизить сложность образца за счет селективного обогащения с использованием аффинной хроматографии. Это включает нацеливание на пептид с отличительным признаком, таким как биотиновая метка или посттрансляционная модификация. Были разработаны методы, которые включают использование антител, лектинов для захвата гликопротеинов и иммобилизованных ионов металлов для захвата фосфорилированных пептидов и ферментных субстратов для захвата выбранных ферментов.

Ферментные зонды

Для исследования ферментативной активности в отличие от общего белка были разработаны реагенты на основе активности для маркировки ферментативно активной формы белков (см. Протеомика на основе активности ). Например, ингибиторы серингидролазы и цистеиновых протеаз были преобразованы в суицидальные ингибиторы. Эта стратегия расширяет возможности выборочного анализа компонентов с низким содержанием посредством прямого нацеливания. Активность фермента также можно контролировать с помощью преобразованного субстрата. Идентификация ферментных субстратов представляет собой серьезную проблему в протеомике и жизненно важна для понимания путей передачи сигналов в клетках. В разработанном методе используются «аналогово-чувствительные» киназы для маркировки субстратов с использованием неестественного аналога АТФ, что облегчает визуализацию и идентификацию с помощью уникального идентификатора.

Гликобиология

Хотя ДНК, РНК и белки кодируются на генетическом уровне, гликаны (сахарные полимеры) не кодируются непосредственно из генома, и для их изучения доступно меньше инструментов. Гликобиология поэтому является областью активных исследований химических биологов. Например, клетки могут быть снабжены синтетическими вариантами натуральных сахаров для исследования их функции. Исследовательская группа Кэролайн Бертоцци разработала методы сайт-специфической реакции молекул на поверхности клеток с помощью синтетических сахаров.

Комбинаторная химия

Биологи-химики использовали автоматизированный синтез разнообразных мелких библиотеки молекул для проведения высокопроизводительного анализа биологических процессов. Такие эксперименты могут привести к открытию небольших молекул с антибиотическими или химиотерапевтическими свойствами. Эти подходы комбинаторной химии идентичны подходам, применяемым в фармакологии.

Использование биологии

Многие исследовательские программы также сосредоточены на использовании природных биомолекул для выполнения биологических задач или поддержки нового химического метода. В этом отношении исследователи химической биологии показали, что ДНК может служить шаблоном для синтетической химии, самособирающиеся белки могут служить структурным каркасом для новых материалов, а РНК может развиваться in vitro для создания новой каталитической функции. Кроме того, гетеробифункциональные (двусторонние) синтетические небольшие молекулы, такие как димеризаторы или PROTAC, объединяют два белка внутри клеток, которые могут синтетически индуцировать новые важные биологические функции, такие как нацеленная деградация белка.

Пептид синтез

Химический синтез белков является ценным инструментом в химической биологии, поскольку он позволяет вводить неприродные аминокислоты, а также специфично включать в остатки «посттрансляционных модификаций », таких как фосфорилирование, гликозилирование, ацетилирование и даже убиквитинирование. Эти возможности ценны для химических биологов, поскольку неприродные аминокислоты могут использоваться для исследования и изменения функциональности белков, в то время как широко известно, что посттрансляционные модификации регулируют структуру и активность белков. Хотя для достижения этих целей были разработаны строго биологические методы, химический синтез пептидов часто имеет более низкий технический и практический барьер для получения небольших количеств желаемого белка.

Для создания полипептидных цепей размером с белок из небольших пептидных фрагментов, полученных путем синтеза, химические биологи используют процесс нативного химического лигирования. Нативное химическое лигирование включает связывание С-концевого тиоэфира и N-концевого остатка цистеина, что в конечном итоге приводит к образованию «нативной» амидной связи. Другие стратегии, которые были использованы для лигирования пептидных фрагментов с использованием химии переноса ацила, впервые введенной с естественным химическим лигированием, включают лигирование экспрессированного белка, методы сульфуризации / десульфуризации и использование удаляемых вспомогательных тиоловых веществ. Лигирование экспрессированного белка делает возможным биотехнологическую установку C-концевого тиоэфира с использованием интеинов, тем самым позволяя присоединение синтетического N-концевого пептида к C-концевой части, полученной рекомбинантно. Как методы сульфуризации / десульфуризации, так и использование удаляемых тиоловых вспомогательных веществ включают установку синтетической тиоловой группы для проведения стандартной нативной химии химического лигирования с последующим удалением вспомогательного вещества / тиола.

Направленная эволюция

Основной целью инженерии белков является создание новых пептидов или белков с желаемой структурой. и химическая активность. Поскольку наши знания о взаимосвязи между первичной последовательностью, структурой и функцией белков ограничены, рациональный дизайн новых белков с модифицированной активностью является чрезвычайно сложной задачей. В направленной эволюции повторяющиеся циклы генетической диверсификации, за которыми следует процесс скрининга или отбора, могут использоваться для имитации естественного отбора в лаборатории для создания новых белков с желаемой активностью.

Существует несколько методов создания больших библиотек вариантов последовательностей. Среди наиболее широко используемых - воздействие на ДНК УФ-излучением или химическими мутагенами, подверженная ошибкам ПЦР, вырожденные кодоны или рекомбинация. После создания большой библиотеки вариантов используются методы отбора или скрининга для поиска мутантов с желаемым атрибутом. Общие методы отбора / скрининга включают FACS, отображение мРНК, фаговый дисплей и компартментализацию in vitro. После того, как полезные варианты найдены, их последовательность ДНК амплифицируется и подвергается дальнейшим раундам диверсификации и отбора.

Разработка методов направленной эволюции была отмечена в 2018 г. присуждением Нобелевской премии по химии Фрэнсис Арнольд за эволюцию ферментов и Джорджу Смит и Грегори Винтер для фагового дисплея.

Биоортогональные реакции

Успешное мечение интересующей молекулы требует специфической функционализации этой молекулы для хемоспецифической реакции с оптическим зонд. Чтобы эксперимент по маркировке считался надежным, эта функционализация должна минимально возмущать систему. К сожалению, эти требования зачастую трудно выполнить. Многие реакции, обычно доступные химикам-органикам в лаборатории, недоступны в живых системах. Реакции, чувствительные к воде и окислительно-восстановительному потенциалу, не будут протекать, реагенты, склонные к нуклеофильной атаке, не будут обладать хемоспецифичностью, и любые реакции с большими кинетическими барьерами не будут получать достаточно энергии в относительно низкотемпературной среде живой клетки. Таким образом, химики недавно разработали группу биоортогональной химии, которая действует хемоспецифично, несмотря на среду, в которой in vivo отвлекают реактивные материалы.

Связывание зонда с интересующей молекулой должно происходить в течение достаточно короткого периода времени; поэтому кинетика реакции сочетания должна быть очень благоприятной. Химия щелчков хорошо подходит для заполнения этой ниши, поскольку реакции щелчка бывают быстрыми, спонтанными, селективными и высокопродуктивными. К сожалению, самая известная «реакция щелчка», [3 + 2] циклоприсоединение между азидом и ациклическим алкином, катализируется медью, вызывая серьезная проблема для использования in vivo из-за токсичности меди. Чтобы обойти необходимость в катализаторе, лаборатория Кэролайн Р. Бертоцци ввела штамм, присущий алкиновым соединениям, с помощью циклического алкина. В частности, циклооктин реагирует с азидомолекулами с особой энергией.

Наиболее распространенным методом придания биоортогональной реактивности целевой биомолекуле является метаболическое мечение. Клетки погружают в среду, где доступ к питательным веществам ограничен синтетически модифицированными аналогами стандартных видов топлива, такими как сахара. Как следствие, эти измененные биомолекулы включаются в клетки так же, как и немодифицированные метаболиты. Затем в систему включается зонд для визуализации судьбы измененных биомолекул. Другие методы функционализации включают ферментативное введение азидов в белки и синтез фосфолипидов, конъюгированных с циклооктинами.

Открытие биомолекул с помощью метагеномики

Достижения современных технологий секвенирования в конце 1990-х годов позволили ученым исследовать ДНК сообществ организмов в их естественной среде обитания («эДНК») без культивирования отдельных видов в лаборатории. Этот метагеномный подход позволил ученым изучить широкий выбор организмов, которые ранее не были охарактеризованы, отчасти из-за некомпетентного роста. Источники eDNA включают почвы, океан, недра, горячие источники, гидротермальные источники, полярные ледяные шапки, гиперсоленая среда обитания и среда с экстремальным pH. Из множества применений метагеномики такие исследователи, как Джо Хандельсман, Джон Кларди и Роберт М. Гудман, исследовали метагеномные подходы к открытию биологически активных молекул. такие как антибиотики.

Обзор метагеномные методы Обзор метагеномных методов

Функциональные или гомологические стратегии скрининга использовались для идентификации генов, продуцирующих небольшие биоактивные молекулы. Функциональные метагеномные исследования предназначены для поиска конкретных фенотипов, которые связаны с молекулами с определенными характеристиками. Метагеномные исследования гомологии, с другой стороны, предназначены для изучения генов с целью выявления консервативных последовательностей, которые ранее были связаны с экспрессией биологически активных молекул.

Функциональные метагеномные исследования позволяют открывать новые гены, кодирующие биологически активные молекулы. Эти анализы включают в себя анализы с наложением на верхний агар, где антибиотики создают зоны ингибирования роста против тестируемых микробов, и анализы pH, которые могут скринировать изменение pH из-за вновь синтезированных молекул с использованием индикатора pH на чашке с агаром . Скрининг экспрессии генов, индуцированный субстратом (SIGEX), метод скрининга экспрессии генов, индуцируемых химическими соединениями, также использовался для поиска генов со специфическими функциями. Метагеномные исследования на основе гомологии привели к быстрому открытию генов, которые имеют гомологичные последовательности как ранее известные гены, ответственные за биосинтез биологически активных молекул. После секвенирования генов ученые могут одновременно сравнивать тысячи бактериальных геномов. Преимущество перед функциональными метагеномными анализами состоит в том, что метагеномные исследования гомологии не требуют наличия системы организма-хозяина для экспрессии метагеномов, поэтому этот метод потенциально может сэкономить время, затрачиваемое на анализ нефункциональных геномов. Это также привело к открытию нескольких новых белков и небольших молекул. Кроме того, исследование in silico, проведенное Глобальным метагеномным исследованием океана, обнаружило 20 новых лантибиотических циклаз.

киназы

Посттрансляционная модификация белков с фосфатных групп с помощью киназ является ключевым регуляторным этапом во всех биологических системах. События фосфорилирования, будь то фосфорилирование протеинкиназами или дефосфорилирование фосфатазами, приводят к активации или дезактивации белка. Эти события влияют на регуляцию физиологических путей, что делает способность анализировать и изучать эти пути неотъемлемой частью понимания деталей клеточных процессов. Существует ряд проблем, а именно огромный размер фосфопротеома, мимолетный характер событий фосфорилирования и связанные с этим физические ограничения классических биологических и биохимических методов, которые ограничивают развитие знаний в этой области.

Через Использование низкомолекулярных модуляторов протеинкиназ позволило биологам-химикам лучше понять эффекты фосфорилирования белков. Например, неселективные и селективные ингибиторы киназы, такие как класс пиридинилимидазольных соединений, являются мощными ингибиторами, полезными при расщеплении сигнальных путей MAP-киназы. Эти соединения пиридинилимидазола действуют, воздействуя на связывающий карман АТФ. Хотя этот подход, а также связанные с ним подходы с небольшими модификациями доказали свою эффективность в ряде случаев, этим соединениям не хватает адекватной специфичности для более общих применений. Другой класс соединений, ингибиторы на основе механизмов, объединяет знания об энзимологии киназ с ранее использованными мотивами ингибирования. Например, «аналог бисубстрата» ингибирует действие киназы за счет связывания как консервативного кармана связывания АТФ, так и сайта узнавания белка / пептида на конкретной киназе. Исследовательские группы также использовали аналоги АТФ в качестве химических зондов для изучения киназ и идентификации их субстратов.

Разработка новых химических средств включения фосфомиметических аминокислот в белки дала важную информацию о влиянии события фосфорилирования. События фосфорилирования обычно изучали путем мутации идентифицированного сайта фосфорилирования (серин, треонин или тирозин ) в аминокислоту, такую ​​как аланин, которые не могут быть фосфорилированы. Однако эти методы имеют ограничения, и химические биологи разработали улучшенные способы исследования фосфорилирования белков. Установив фосфо-серин, фосфо-треонин или аналогичные имитаторы фосфоната в нативные белки, исследователи могут проводить исследования in vivo для изучения эффектов фосфорилирования, увеличивая количество времени, в течение которого происходит событие фосфорилирования, при минимизации часто неблагоприятные последствия мутаций. Лигирование экспрессированного белка оказалось успешным методом синтетического получения белков, содержащих молекулы фосфомиметиков на любом конце. Кроме того, исследователи использовали мутагенез неприродных аминокислот в целевых сайтах в пределах пептидной последовательности.

Достижения в химической биологии также улучшили классические методы визуализации действия киназ. Например, разработка -пептидов, содержащих встроенные флуорофоры, улучшила временное разрешение анализов связывания in vitro. Одним из наиболее полезных методов изучения действия киназы является передача энергии резонанса флуоресценции (FRET). Чтобы использовать FRET для исследований фосфорилирования, флуоресцентные белки связывают как с доменом связывания фосфоаминокислот, так и с пептидом, который может фосфорилироваться. При фосфорилировании или дефосфорилировании пептида-субстрата происходит конформационное изменение, которое приводит к изменению флуоресценции. FRET также использовался в тандеме с флуоресцентной микроскопией с визуализацией продолжительности жизни (FLIM) или флуоресцентно конъюгированными антителами и проточной цитометрией для получения количественных результатов с превосходным временным и пространственным разрешением.

Биологическая флуоресценция

Биологи-химики часто изучают функции биологических макромолекул, используя методы флуоресценции. Преимущество флуоресценции по сравнению с другими методами заключается в ее высокой чувствительности, неинвазивности, безопасном обнаружении и способности модулировать сигнал флуоресценции. В последние годы открытие зеленого флуоресцентного белка (GFP) Roger Y. Tsien и другими, гибридные системы и квантовые точки позволили более точно оценить местоположение и функцию белка. Используются три основных типа флуорофоров: небольшие органические красители, зеленые флуоресцентные белки и квантовые точки. Мелкие органические красители обычно имеют вес менее 1 кДа и были модифицированы для увеличения фотостабильности и яркости, а также уменьшения самозатухания. Квантовые точки имеют очень четкую длину волны, высокую молярную поглощающую способность и квантовый выход. Как органические красители, так и квантовые красители не обладают способностью распознавать интересующий белок без помощи антител, поэтому они должны использовать иммуномаркирование. Флуоресцентные белки закодированы генетически и могут быть слиты с интересующим вас белком. Другой метод генетического мечения - это система биомышьяка тетрацистеина, которая требует модификации целевой последовательности, которая включает четыре цистеина, которые связывают мембранопроницаемые молекулы биомышьяка, зеленый и красный красители «FlAsH» и «ReAsH» с пикомолярным сродством. И флуоресцентные белки, и тетрацистеин биомышьяка могут экспрессироваться в живых клетках, но имеют серьезные ограничения при эктопической экспрессии и могут вызывать потерю функции.

Флуоресцентные методы использовались для оценки динамики ряда белков, включая отслеживание белков, конформационные изменения, белок-белковые взаимодействия, синтез и обмен белка, а также активность ферментов, среди прочего. Три общих подхода к измерению перераспределения и диффузии белка: отслеживание отдельных частиц, корреляционная спектроскопия и методы фотомаркинга. При отслеживании одной частицы отдельная молекула должна быть достаточно яркой и разреженной, чтобы ее можно было отслеживать от одного видео к другому. Корреляционная спектроскопия анализирует флуктуации интенсивности, возникающие в результате миграции флуоресцентных объектов в небольшой объем в фокусе лазера и из него. При фотомаркировке флуоресцентный белок может быть расшифрован в субклеточной области с использованием интенсивного местного освещения, и судьба меченой молекулы может быть визуализирована напрямую. Мишале и его коллеги использовали квантовые точки для отслеживания отдельных частиц, используя биотин-квантовые точки в клетках HeLa. Один из лучших способов обнаружить конформационные изменения в белках - пометить интересующий белок двумя флуорофорами в непосредственной близости. FRET будет реагировать на внутренние конформационные изменения, возникающие в результате переориентации одного флуорофора по отношению к другому. Можно также использовать флуоресценцию для визуализации активности фермента, как правило, с использованием протеомики на основе гашеной активности (qABP). Ковалентное связывание qABP с активным сайтом фермента-мишени будет прямым доказательством того, отвечает ли фермент за сигнал после высвобождения гасителя и восстановления флуоресценции.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Журналы

  • ACS Chemical Biology - новый журнал по химической биологии Американского химического общества.
  • Bioorganic Medicinal Chemistry - Журнал исследований на стыке химии и биологии Tetrahedron
  • ChemBioChem - Европейский журнал химической биологии
  • Химическая биология - точка доступа к новостям химической биологии и исследованиям из через RSC Publishing
  • Cell Chemical Biology - междисциплинарный журнал, который публикует статьи, представляющие исключительный интерес во всех областях на стыке химии и биологии. chembiol.com
  • Journal of Chemical Biology - новый журнал, публикующий новые работы и обзоры на стыке биологии и физических наук, издаваемый Springer. ссылка
  • Журнал интерфейса Королевского общества - междисциплинарная публикация, продвигающая исследования на стыке физических наук и наук о жизни
  • Молекулярные биосистемы - журнал по химической биологии с особым акцентом на стык между химией и -омическими науками и системной биологией.
  • Nature Chemical Biology - ежемесячный междисциплинарный журнал, обеспечивающий международный форум для своевременной публикации важных новых исследований на стыке химии и биологии.
  • Энциклопедия химической биологии Wiley link
Последняя правка сделана 2021-05-14 09:31:26
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте