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化学生物学は、化学と生物学の中間に位置する科学分野です。この分野では、化学的手法、分析、そして合成化学によって生成された低分子化合物を生物システムの研究や操作に応用します。 [ 1 ]生体分子の化学や細胞内および細胞間の生化学経路の調節を研究する生化学と混同されることが多いですが、化学生物学は生物学的疑問に取り組むために化学的ツールを応用することに焦点を当てている点で、生化学とは明確に区別されます。[ 2 ]
化学生物学は比較的新しい科学分野と考えられているが、[ 2 ] 20 世紀初頭から使用されている[ 3 ] 。その起源は 19 世紀初頭の科学的発見にある。化学生物学という用語は、1907 年にAlonzo E. Taylorが出版した「発酵について」というタイトルの本に初めて登場した[ 4 ] 。その後、1930 年に John B. Leathes が「化学生物学の誕生に関するハーヴェイの演説」というタイトルの記事で使用した[ 5 ] 。しかし、この用語が最初に使用された時期は不明である[ 3 ] 。
フリードリヒ・ヴェーラーによる1828年の尿素の合成は、合成化学を生物学の発展に応用した初期の例である。[ 6 ]この合成は、生物化合物が無機物から合成できることを示し、それまでの生気論、つまり有機化合物を生成するには「生きた」源が必要であるという考えを弱めた。[ 7 ] [ 8 ]ヴェーラーの研究は、有機化学と天然物合成の発展に大きく貢献したと考えられており、どちらも現代の化学生物学において重要な役割を果たしている。[ 9 ]
19 世紀後半のフリードリヒ・ミーシャーによるヒト白血球の細胞内容物の調査研究は、「ヌクレイン」の発見につながり、後にそれは DNA と改名された。[ 6 ]ミーシャーは、プロテアーゼ消化によって白血球の核からヌクレインを分離した後、元素分析や溶解度試験などの化学的手法を用いてヌクレインの組成を決定した。[ 10 ]この研究は、ワトソンとクリックによる DNA の二重らせん構造の発見の基礎を築いた。[ 10 ] [ 11 ]
化学生物学への関心の高まりにより、この分野に特化したジャーナルがいくつか創刊されました。2005年に創刊されたNature Chemical Biology [ 12 ]と2006年に創刊されたACS Chemical Biology [ 13 ]は、この分野で最も有名なジャーナルの2つであり、インパクトファクターはそれぞれ14.8 [ 14 ]と4.0 [ 15 ]です。化学生物学は独立した分野とみなされていますが、生化学や分子生物学の正式な学術教育を受けた多くの科学者も化学生物学に貢献しており、これらの分野間の重なりを示しています。
糖生物学は、炭水化物の構造と機能の研究です。[ 23 ] DNA、RNA、タンパク質は遺伝子レベルでコード化されていますが、炭水化物はゲノムから直接コード化されていないため、研究には異なるツールが必要です。[ 24 ]化学原理を糖生物学に応用することで、炭水化物の分析と合成のための新しい方法を開発できます。[ 25 ]例えば、細胞に天然糖の合成変異体を与えてその機能を調べることができます。キャロリン・ベルトッツィの研究グループは、合成糖を介して細胞表面で部位特異的に反応する分子を開発しました。[ 26 ]
組み合わせ化学とは、多数の関連化合物を同時に合成してハイスループット分析を行う手法である。[ 27 ]化学生物学者は、組み合わせ化学の原理を利用して活性薬物化合物を合成し、スクリーニング効率を最大化することができる。[ 28 ]同様に、これらの原理は農業や食品研究の分野、特に非天然化合物の合成や新規酵素阻害剤の生成にも利用できる。 [ 29 ]
タンパク質の化学合成は、非天然アミノ酸の導入や、リン酸化、グリコシル化、アセチル化、さらにはユビキチン化などの「翻訳後修飾」の残基特異的な導入を可能にするため、化学生物学において貴重なツールである。[ 30 ]これらの特性は、非天然アミノ酸を使用してタンパク質の機能を調査および変更できる一方、翻訳後修飾はタンパク質の構造と活性を調節することが広く知られているため、化学生物学者にとって価値がある。[ 31 ]これらの目的を達成するために厳密に生物学的な技術が開発されてきたが、ペプチドの化学合成は、目的のタンパク質を少量得るための技術的および実用的な障壁が低い場合が多い。[ 32 ]
化学生物学者は、合成によって作られた小さなペプチド断片からタンパク質サイズのポリペプチド鎖を作るために、ネイティブケミカルライゲーションのプロセスを使用できます。[ 33 ]ネイティブケミカルライゲーションは、C末端チオエステルとN末端システイン残基のカップリングを伴い、最終的に「ネイティブ」アミド結合の形成につながります。[ 34 ]ネイティブケミカルライゲーションで最初に導入されたアシル転移化学を使用してペプチド断片を連結するために使用された他の戦略には、発現タンパク質ライゲーション、[ 35 ]硫化/脱硫技術、[ 36 ]および除去可能なチオール補助剤の使用が含まれます。[ 37 ]
化学生物学者は、濃縮戦略、化学親和性タグ、および新しいプローブの開発を通じてプロテオミクスを改善するために取り組んでいます。プロテオミクスのサンプルには、多くの場合、多数のペプチド配列が含まれており、目的の配列は高頻度で出現したり、低頻度で出現したりするため、検出の障壁となります。化学生物学的手法は、アフィニティークロマトグラフィーを使用した選択的濃縮によってサンプルの複雑さを軽減できます。これには、ビオチン標識や翻訳後修飾などの特徴を持つペプチドを標的とすることが含まれます。[ 38 ]抗体、糖タンパク質を捕捉するためのレクチン、リン酸化ペプチドを捕捉するための固定化金属イオン、および特定の酵素を捕捉するための酵素基質の使用を含む方法が開発されています。
総タンパク質ではなく酵素活性を調べるために、酵素活性型のタンパク質を標識する活性ベースの試薬が開発されている（活性ベースのプロテオミクスを参照）。例えば、セリンヒドロラーゼ阻害剤とシステインプロテアーゼ阻害剤は自殺阻害剤に変換されている。[ 39 ]この戦略により、直接標的化によって低存在量の成分を選択的に分析する能力が向上する。[ 40 ]酵素活性は、変換された基質を介してモニターすることもできる。[ 41 ]酵素基質の同定は、プロテオミクスにおいて非常に困難な問題であり、細胞内のシグナル伝達経路の理解に不可欠である。開発された方法では、「アナログ感受性」キナーゼを使用して非天然ATPアナログで基質を標識し、独自のハンドルを介して可視化と識別を容易にする。[ 42 ]
多くの研究プログラムは、生物学的タスクを実行したり、新しい化学的方法をサポートしたりするために、天然の生体分子を利用することにも焦点を当てています。この点に関して、化学生物学の研究者は、DNAが合成化学のテンプレートとして機能し、自己集合タンパク質が新しい材料の構造的足場として機能し、RNAが試験管内で進化して新しい触媒機能を生み出すことができることを示しました。さらに、二量体化剤やPROTACなどのヘテロ二官能性（両面性）合成小分子は、細胞内で2つのタンパク質を結合させ、標的タンパク質分解などの重要な新しい生物学的機能を合成的に誘導することができます。[ 43 ]
タンパク質工学の主な目標は、望ましい構造と化学活性を持つ新規ペプチドまたはタンパク質を設計することです。 [ 44 ]タンパク質の一次配列、構造、機能の関係についての知識は限られているため、操作された活性を持つ新しいタンパク質を合理的に設計することは非常に困難です。[ 45 ]指向性進化では、遺伝的多様化の繰り返しサイクルとそれに続くスクリーニングまたは選択プロセスを使用して、実験室で自然選択を模倣し、望ましい活性を持つ新しいタンパク質を設計することができます。[ 46 ]
配列変異体の大規模ライブラリーを作成する方法はいくつか存在する。最も広く使用されている方法には、DNAに紫外線や化学的変異原を照射すること、エラーを起こしやすい PCR、縮重コドン、または組換えなどがある。[ 47 ] [ 48 ]変異体の大規模ライブラリーが作成されると、選択またはスクリーニング技術を使用して、目的の特性を持つ変異体を見つける。一般的な選択/スクリーニング技術には、FACS、[ 49 ] mRNA ディスプレイ、[ 50 ]ファージディスプレイ、およびin vitroコンパートメント化がある。[ 51 ]有用な変異体が見つかると、その DNA 配列が増幅され、さらに多様化と選択のラウンドが行われる。
指向性進化法の開発は、2018年にフランシス・アーノルドが酵素の進化で、ジョージ・スミスとグレゴリー・ウィンターがファージディスプレイでノーベル化学賞を受賞したことで称えられた。 [ 52 ]
目的の分子を標識するには、その分子を光学プローブと化学特異的に反応するように特定の官能基化する必要があります。標識実験が堅牢であるとみなされるには、その官能基化がシステムへの影響を最小限に抑える必要があります。残念ながら、これらの要件を満たすのはしばしば困難です。有機化学者が実験室で通常利用できる反応の多くは、生体システムでは利用できません。[ 53 ]水や酸化還元に敏感な反応は進行せず、求核攻撃を受けやすい試薬は化学特異性を示さず、大きな運動学的障壁を持つ反応は、生細胞の比較的低い熱環境では十分なエネルギーを見つけることができません。[ 54 ]そのため、化学者は最近、生体内の妨害的な反応性物質の環境にもかかわらず、化学特異的に進行する一連の生体直交化学を開発しました。
プローブと目的の分子との結合は、比較的短い時間枠内で起こる必要があります。[ 55 ]したがって、結合反応の速度論は非常に有利である必要があります。クリックケミストリーは、クリック反応が迅速、自発的、選択的、かつ高収率であるため、このニッチを埋めるのに最適です。残念ながら、最も有名な「クリック反応」であるアジドと非環状アルキン間の[3+2]環化付加は銅触媒であり、銅の毒性のため、生体内での使用には深刻な問題があります。触媒の必要性を回避するために、キャロリン・R・ベルトッツィの研究室は、環状アルキンを使用することで、アルキン種に固有のひずみを導入しました。特に、シクロオクチンは、アジド分子と独特の活力で反応します。
1990年代後半の最新のシーケンス技術の進歩により、科学者は個々の種を実験室で培養することなく、自然環境における生物群集のDNA（「eDNA」）を調査することが可能になった。このメタゲノムアプローチにより、科学者は、生育条件が不十分であったためにこれまで特徴づけられていなかった幅広い生物を研究することが可能になった。eDNAの供給源には、土壌、海洋、地下、温泉、熱水噴出孔、極地の氷冠、高塩分生息地、極端なpH環境などがある。[ 56 ]メタゲノミクスの多くの応用例の中で、Jo Handelsman、Jon Clardy、Robert M. Goodmanなどの研究者は、抗生物質などの生物活性分子の発見に向けてメタゲノムアプローチを探求した。[ 57 ]
機能的スクリーニングまたは相同性スクリーニング戦略は、小さな生物活性分子を生成する遺伝子を特定するために使用されてきました。機能的メタゲノム研究は、特定の特性を持つ分子に関連する特定の表現型を探索するように設計されています。一方、相同性メタゲノム研究は、生物活性分子の発現と以前に関連付けられていた保存配列を特定するために遺伝子を調べるように設計されています。[ 58 ]
機能的メタゲノム研究により、生物活性分子をコードする新規遺伝子の発見が可能になる。これらのアッセイには、抗生物質が試験微生物に対して増殖阻害ゾーンを生成するトップアガーオーバーレイアッセイや、寒天プレート上のpH指示薬を使用して新たに合成された分子によるpH変化をスクリーニングできるpHアッセイが含まれる。[ 59 ]化学化合物によって誘導される遺伝子の発現をスクリーニングする方法である基質誘導遺伝子発現スクリーニング（SIGEX）も、特定の機能を持つ遺伝子の探索に使用されている。[ 59 ]ホモロジーに基づくメタゲノム研究により、生物活性分子の生合成に関与する既知の遺伝子と相同配列を持つ遺伝子の迅速な発見につながった。遺伝子の配列が決定され次第、科学者は数千の細菌ゲノムを同時に比較することができる。[ 58 ]機能的メタゲノムアッセイに対する利点は、相同性メタゲノム研究ではメタゲノムを発現するための宿主生物システムを必要としないため、この方法は非機能的ゲノムの分析に費やす時間を節約できる可能性があるということです。また、これによっていくつかの新規タンパク質や低分子が発見されました。[ 60 ]さらに、グローバル海洋メタゲノム調査のインシリコ解析により、20個の新しいランティビオティックシクラーゼが発見されました。[ 61 ]
キナーゼによるリン酸基によるタンパク質の翻訳後修飾は、あらゆる生物系における重要な調節段階である。タンパク質キナーゼによるリン酸化またはホスファターゼによる脱リン酸化のいずれかのリン酸化イベントは、タンパク質の活性化または不活性化をもたらす。これらのイベントは生理学的経路の調節に影響を与えるため、これらの経路を解析して研究する能力は、細胞プロセスの詳細を理解する上で不可欠である。リン酸化プロテオームの膨大なサイズ、リン酸化イベントの一時的な性質、および古典的な生物学的および生化学的手法に関連する物理的限界など、この分野の知識の進歩を制限してきた多くの課題が存在する。[ 62 ]
化学生物学者は、タンパク質キナーゼの低分子モジュレーターの使用により、タンパク質リン酸化の影響についてより深く理解するようになった。例えば、ピリジニルイミダゾール化合物[ 63 ]のような非選択的および選択的キナーゼ阻害剤は、 MAPキナーゼシグナル伝達経路の解析に有用な強力な阻害剤である。これらのピリジニルイミダゾール化合物は、 ATP結合ポケットを標的とすることで機能する。このアプローチ、および若干の変更を加えた関連アプローチ[ 64 ] [ 65 ]は、多くのケースで有効であることが証明されているが、これらの化合物は、より一般的な用途には十分な特異性に欠ける。別の種類の化合物であるメカニズムベースの阻害剤は、キナーゼ酵素学の知識と、以前に利用された阻害モチーフを組み合わせている。例えば、「二基質アナログ」は、特定のキナーゼ上の保存されたATP結合ポケットとタンパク質/ペプチド認識部位の両方に結合することで、キナーゼの作用を阻害する。[ 66 ]研究グループは、ATP アナログを化学プローブとして利用してキナーゼを研究し、その基質を特定した。[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]
リン酸化模倣アミノ酸をタンパク質に組み込む新しい化学的方法の開発により、リン酸化イベントの影響に関する重要な知見が得られました。リン酸化イベントは通常、特定されたリン酸化部位（セリン、トレオニン、またはチロシン）をリン酸化されないアラニンなどのアミノ酸に変異させることによって研究されてきました。しかし、これらの技術には限界があり、化学生物学者はタンパク質のリン酸化を調査するための改良された方法を開発しました。リン酸化セリン、リン酸化トレオニン、または類似のホスホネート模倣体を天然タンパク質に導入することにより、研究者は、リン酸化イベントが発生する時間を延長し、変異のしばしば好ましくない影響を最小限に抑えることで、リン酸化の影響を調査するin vivo研究を実行できます。発現タンパク質ライゲーションは、両末端にリン酸化模倣分子を含むタンパク質を合成的に生成するための成功した技術であることが証明されています。[ 70 ]さらに、研究者は、ペプチド配列内の標的部位で非天然アミノ酸変異誘発を使用しました。 [ 71 ] [ 72 ]
化学生物学の進歩により、キナーゼ作用のイメージングの古典的な手法も改善されました。たとえば、ペプチドバイオセンサー（蛍光色素を組み込んだペプチド）の開発により、in vitro結合アッセイの時間分解能が向上しました。[ 73 ]キナーゼ作用を研究するための最も有用な手法の1つは、蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）です。リン酸化研究にFRETを利用するには、蛍光タンパク質をリン酸化アミノ酸結合ドメインとリン酸化可能なペプチドの両方に結合させます。基質ペプチドのリン酸化または脱リン酸化により、コンフォメーション変化が起こり、蛍光の変化が生じます。[ 74 ] FRETは、蛍光寿命イメージング顕微鏡（FLIM） [ 75 ]や蛍光標識抗体とフローサイトメトリー[ 76 ]と組み合わせて使用することで、優れた時間分解能と空間分解能で定量的な結果を得ることもできます。
化学生物学者は、蛍光技術を用いて生体高分子の機能を研究することが多い。蛍光法が他の技術に比べて優れている点は、感度が高く、非侵襲的で、安全に検出でき、蛍光シグナルを調節できることである。近年、ロジャー・Y・ツィエンらによる緑色蛍光タンパク質（GFP）の発見、ハイブリッドシステム、量子ドットにより、タンパク質の位置と機能をより正確に評価できるようになった。[ 77 ]主に3種類の蛍光色素が使用されている。小型有機色素、緑色蛍光タンパク質、量子ドットである。小型有機色素は通常1 kDa未満で、光安定性と輝度を高め、自己消光を減らすように改変されている。量子ドットは非常に鋭い波長、高いモル吸光係数、量子収率を持つ。有機色素と量子色素はどちらも抗体の助けなしには目的のタンパク質を認識する能力がないため、免疫標識法を用いる必要がある。蛍光タンパク質は遺伝的にコード化されており、目的のタンパク質に融合させることができる。もう一つの遺伝子標識技術は、テトラシステイン二ヒ素系である。このシステムでは、膜透過性二ヒ素分子、緑色および赤色の色素「FlAsH」および「ReAsH」がピコモル濃度の親和性で結合する4つのシステインを含む標的配列の改変が必要となる。蛍光タンパク質と二ヒ素テトラシステインはどちらも生細胞で発現可能であるが、異所性発現には大きな制約があり、機能喪失を引き起こす可能性がある。
蛍光技術は、タンパク質追跡、構造変化、タンパク質間相互作用、タンパク質合成とターンオーバー、酵素活性など、多くのタンパク質ダイナミクスを評価するために使用されてきました。タンパク質の正味の再分布と拡散を測定するための3つの一般的なアプローチは、単一粒子追跡、相関分光法、およびフォトマーキング法です。単一粒子追跡では、個々の分子は、1つのビデオから別のビデオに追跡できるように、明るく、かつ疎である必要があります。相関分光法は、レーザーの焦点にある小さな体積への蛍光体の出入りによって生じる強度変動を分析します。フォトマーキングでは、強い局所照明を使用して細胞内領域で蛍光タンパク質の消光を解除し、マークされた分子の運命を直接画像化できます。ミカレットらは、HeLa細胞でビオチン量子ドットを使用して単一粒子追跡に量子ドットを使用しました。[ 78 ]タンパク質の立体構造変化を検出する最良の方法の 1 つは、目的のタンパク質を近接した 2 つの蛍光色素で標識することです。FRETは、一方の蛍光色素が他方の蛍光色素に対して再配向することによって生じる内部立体構造変化に反応します。蛍光を使用して酵素活性を可視化することもできます。これは通常、消光活性ベースプロテオミクス(qABP) を使用することによって行われます。qABP を標的酵素の活性部位に共有結合させることで、消光剤の放出と蛍光の回復によって、その酵素がシグナルの原因であるかどうかについての直接的な証拠が得られます。[ 79 ]
化学科内での生物学研究の増加にもかかわらず、化学生物学を学部課程に統合する試みは不足している。[ 80 ]例えば、アメリカ化学会（ACS）は化学学士の基礎課程に生化学を含めることを義務付けているが、生物学に関連する他の化学コースは必須ではない。[ 81 ]
化学生物学のコースは化学の学士号取得に必須ではないことが多いが、現在では多くの大学が学部生向けに化学生物学の入門コースを提供している。例えば、ブリティッシュコロンビア大学は4年次に合成化学生物学のコースを提供している。[ 82 ]