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태화 천
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1 읽기 쉬운 총설 CHEMISTRY TOPICS 2 유기형광 프로브 디자인과 응용 연구 유기 초분자 화학: 호스트 게스트 화학으로 부터 바이오 이미징의 영역으로 이민희 숙명여자대학교 화학과, minheelee@sookmyung.ac.kr 서 론 제공하고 있어 다양한 분야에서 활발하게 응용 연구되고 있다. 본 총설에서는 저분자 유기형광 프로브 개발과 그 응 형광 프로브(fluorescent probe)는 특정 분자를 인지 용 연구들에 대해 간단히 소개하고자 한다. (recognition)했을 경우에만 선택적으로 색 또는 형광 시 그널의 변화를 보이는 물질로, 최근 세포 안에서 일어나는 다양한 분자수준(molecular level)의 생화학적 현상을 영 본 론 상화하는데 응용되고 있다. 1-3 이러한 형광 프로브 개발 연 구는 환경독성 물질의 정성/정량 검출(qualitative/quantitative detection)뿐만 아니라, 바이오 활성인자(bioactive species)의 실시간(real-time), 비침습성(noninvasive measurement)측정을 가능하게 함으로써, 화 학, 생물학, 물리학, 공학, 의학 등의 융합연구로 급속히 발전하는 연구 분야이다. 4-6 형광 프로브는 유기형광 (organic fluorophore), 생물발광체(bio-luminophore), 형광단백질(green fluorescent protein, GFP), 양자점 (quantum dot, QD)으로 구현되며, 저분자(small molecule)의 유기형광체는 펩타이드, 고분자, 나노입자들과 접 목되어 다양한 종류의 스마트 센서 소재로 개발되고 있다. 특히, 저분자 유기형광체를 이용한 형광 프로브는 합성화 학(synthetic chemistry)을 통해 다양한 기능을 부여할 수 있어 감지하고자 하는 타깃 분자(target moleule)을 다 양화하고, 높은 선택성(selectivity)과 감도(sensitivity) 를 보이는 분석환경 맞춤형으로 개발이 가능하다. 또한 저 분자 형광 프로브는 구조변화, 미세 환경변화에 따른 광화 학적 물성연구 및 바이오 활성인자와의 상호작용 연구를 통해 분자수준에서 생명현상을 이해하는데 중요한 정보를 형광 프로브 개발을 위해서는 검출(detection) 또는 영 상화(visualization, imaging)하고자 하는 타깃 물질(target analyte)을 결정하는 일이 우선이며, 이는 관심 있는 환경독성과 관련된 자연현상 또는 질병과 관련된 생명현 상의 분자적 메커니즘에 대한 이해를 필요로 한다. 타깃 물 질이 선정되면 그것의 물리적, 화학적 성질을 바탕으로 높 은 선택성과 감도를 보일 수 있는 형광 프로브들을 디자인 하여 합성한다. 일반적으로 형광 프로브는 특정 분자를 인 지할 수 있는 인식부위(recognition site)와 형광 시그널 을 보이는 형광체(fluorophore, signaling unit)로 구성 된다. 형광 프로브와 특정 분자와의 상호작용 또는 화학반 응에 의해 off-on(형광 켜짐), on-off(형광 꺼짐), ratiometric type의 형광시그널 변화가 관찰된다. 이러한 시그 널 변화를 이해하기 위해 분자 내 전자전이(internal charge transfer, ICT), 광 전자전이(photo electron transfer, PET), 중금속 효과(heavy metal effect), 킬레 이 션-형 광 유 도(chelation-enhanced fluorescence, CHEF), 들뜬상태 분자 내 양성자 전이(excited state intramolecular proton transfer, ESIPT), 형광공명에너 지 전 이 (fluorescence resonance energy transfer, 20 화학세계

(recognition)했을 경우에만 선택적으로 색 또는 형광 시 그널의 변화를 보이는 물질로, 최근 세포 안에서 일어나는 다양한 분자수준(molecular level)의 생화학적 현상을 영 본 론 상화하는데 응용되고 있다.

2 유기형광 프로브 디자인과 응용 연구 그림 1. 케모센서(chemosensor)와 케모도시미터(chemodosimeter) 형태의 형광 프로브 FRET), 결합을 통한 에너지전이(through-bond energy transfer, TBET), 모노머-엑시머 형성(monomer excimer formation), 응집-형광유도(aggregation-induced emission, AIE) 등과 같은 메커니즘이 보고되었 다. 7,8 형광 프로브는 타깃 물질을 인지하는 방식에 따라 간단 히 케모센서(chemosensor)와 케모도시미터(chemodosimeter) 형태로 나눌 수 있다. 케모센서는 형광 프로브와 특정 분자와의 물리적, 화학 적 상호작용을 통해 형광시그널 변화를 유도 하는 방식으로, 인식부위(recognition site) 로 주로 특정 분자를 인지할 수 있는 결합자 리(binding site)를 갖는다. 이처럼 케모센 서가 특정 분자를 인지하는 원동력이 이들 간 의 수소결합 혹은 정전기적 인력 등이기 때 문에 분석환경에 존재하는 다른 요인들의 간 섭에 민감하게 감응하여 비교적 낮은 선택성 을 보인다. 하지만 타깃 물질을 인지하는 가 역적 메커니즘(reversible mechanism)덕분 에 유-무기 복합체에 응용되었을 때 재사용 이 가능하다. 또한 세포 내에서는 질병과 관 련된 활성인자의 생성, 소멸과 관련된 역동 학(dynamics)을 실시간으로 이미징(imaging)할 수 있다. 한편, 케모도시미터는 형광 프로브와 특정 분자와의 특이적 화학반응을 통해 형광시그 널 변화를 유도하는 방식으로, 특정 분자에만 화학적 활성 을 보이는 반응자리(reaction site)를 갖는다. 케모센서와 달리, 케모도시미터는 비가역적(irreversible) 화학반응을 기본으로 하기 때문에 물질의 재사용이 불가능하며, 세포 내에서 바이오 활성인자의 역동학적 영상화가 어렵다. 반 면, 케모도시미터는 특이적이고 빠른 화학반응을 통해 타 깃 분자를 인지하기 때문에 분석환경에 존재할 수 있는 다 른 경쟁적인 인자들에 의한 간섭이 적고, 높은 선택성과 감 도를 보인다. 지금까지 다양한 타깃 물질을 검출 또는 영상화하기 위 해 많은 형광 프로브들이 개발되었다. 예를 들어, 특정 분 석물과 잘 결합하는 것으로 알려진 결합자리를 형광체에 직접적으로 연결함으로써 인간의 생명유지 및 질병과 관 계된 Na(I), K(I), Zn(II), Cu(I), Cu(II), Fe(II), Ca(II) 금 속이온 혹은 환경독성을 유발하는 Hg(II), Hg(I), Cd(II), Pd(II), Cr(III), Ag(I), Au(I), Pb(II), Pd(II), Pt(II) 금속 이온, Cl -, I - 2-, SO 4, CH 3 COO -, H 2 PO 4-, F - 음이온과 선 택적으로 결합하여 색 또는 형광변화를 보이는 케모센서 형태의 형광 프로브가 개발되었다 그림 2. 케모센서(chemosensor) 형태의 형광 프로브 화학세계 21

메커니즘이 보고되었 다. 7,8 형광 프로브는 타깃 물질을 인지하는 방식에 따라 간단 히 케모센서(chemosensor)와 케모도시미터(chemodosimeter) 형태로 나눌 수 있다.

3 읽기 쉬운 총설 그림 3. 케모도시미터(chemodosimeter) 형태의 형광 프로브 또한, Hg(II), Pt(II), Cu(II), Cu(I) 금속 이온, F -, CN - 음이온, ClO -, H 2 O 2, OH, ROO, 1 O 2, O 2 - 활성산소종 (reactive oxygen species, ROS), NO, ONOO - 활성질 소종(reactive nitrogen species, RNS), 글루타티온 (GSH), 시스테인(Cys), 호모시스테인(Hcy), 티오레독신 (Trx)과 같은 티올(thiol) 등의 촉매반응성, 산화환원반응 성, 친핵반응성 등의 특이적인 화학반응들을 이용한 케모 도시미터가 보고되었다. 불과 10여 년 전에는 유기용매 혹 22 화학세계

H 2 O 2, OH, ROO, 1 O 2, O 2 - 활성산소종 (reactive oxygen species, ROS), NO, ONOO - 활성질 소종(reactive

4 유기형광 프로브 디자인과 응용 연구 그림 4. 세포 소기관(subcellular organelle) 표적 형광 프로브 은 수용액 상에서의 형광 프로브와 환경독성과 관련된 특 정 분자와의 상호작용과 수반되는 분광학적 변화에 대해 서만 집중적으로 연구되었다. 하지만 최근 분석 대상이 인 간의 생명현상 및 질병발병과 관련된 바이오 활성인자까 지 확장되면서 살아있는 세포 안에서 동물 체내에 이르기 까지 타깃 물질을 선택적으로, 고감도, 실시간, 비침습성, 바이오 친화적으로 이미징(imaging)할 수 있는 형광 프로 브 개발과 영상화 연구에 집중되고 있다 최근 세포 안에서 일어나는 다양한 생화학적 변화를 효 과적으로 관찰하기 위해 특정 세포 소기관(subcellular organelle)의 바이오 활성인자만을 감지하여 형광변화를 보이는 세포 소기관 표적화(organelle targeting) 형광 프로브가 개발되었다 세포는 세포막(cell membrane), 세포질(cytosol), 세포핵(nucleus), 소포체(endoplasmic reticulum, ER), 미토콘드리아(mitochondrion), 퍼옥시 좀(peroxisome), 리소좀(lysosome), 골지(golgi) 등과 같 은 다양한 소기관으로 이루어져 있다. 이러한 세포 소기관 들은 각자의 역할분담을 통해 세포의 생노병사를 조절하 기 때문에 이들의 비정상적인 작동은 각종 질환과 매우 밀 접하게 관계된다. 결국 인간의 각종 질환의 원인규명, 효 과적인 진단, 치료제 발굴을 위해서는 세포 소기관의 고유 한 기능을 밝히고 이들 간의 어떤 상관관계를 이해하는 것 이 매우 중요한데, 이를 위해 필수적인 것이 세포 소기관 내의 바이오 활성 인자를 선택적으로, 고감도로, 실시간 이 미징할 수 있는 형광 프로브의 개발이다. 대표적으로 미토콘드리아를 표적화하기 위해 양전하를 띄며 소수성을 갖는 트리페닐포스핀(triphenylphosphine) 기능기를 유기형광 프로브에 접목하여, 미토콘드 화학세계 23

12-14 최근 세포 안에서 일어나는 다양한 생화학적 변화를 효 과적으로 관찰하기 위해 특정 세포 소기관(subcellular organelle)의 바이오 활성인자만을 감지하여 형광변화를 보이는 세포 소기관 표적화(organelle targeting) 형광 프로브가 개발되었다.

5 읽기 쉬운 총설 리아 내의 글루타티온(GSH), 티오레독신(Trx), H 2 O 2 와 같은 활성산소종, Zn(II), Cu(II)와 같은 필수 금속이온, 산 도(pH) 등을 효과적으로 영상화하였다. 뿐만 아니라, 아민 (amine), 카복실(carboxylate) 기능기와 같이 양이온 혹 은 음이온 특징을 보일 수 있는 기능기를 형광 프로브에 도 입하여 세포질이나 리소좀에 특이적으로 머물 수 있도록 하여 ph, 티올, 금속이온들을 영상화하기도 하였다. 이러 한 세포 소기관 표적(organelle targeting) 형광 프로브 의 개발은 생명현상 및 질병과 관련된 특정 분자를 세포 수 준(cellular level)에서 세포이하의 세포 소기관 수준(subcellular organelle)까지 영상화가 가능케 함으로써 유용 한 생의학 정보를 제공할 수 있게 되었다 결 론 형광 프로브는 인간의 생명현상과 관련된 환경독성 물질, 바이오 활성인자의 실시간, 비침습성 측정을 가능케 함으로 써, 세포 안에서 일어나는 다양한 분자수준의 생화학적 변 화를 영상화하는데 활용되고 있다. 최근 형광 프로브 개발 연구는 화학뿐만 아니라, 생물학, 의학, 공학 등의 융합연구 로 급속히 발전하고 있다. 특히, 저분자 형광 프로브는 구조 변화, 미세 환경변화에 따른 광화학적 물성연구 및 바이오 활성인자와의 상호작용 연구를 통해 분자수준의 생명현상 을 이해하는데 중요한 정보를 제공하고 있어 다양한 분야에 서 활발하게 응용 연구되고 있다. 본 총설에서는 저분자 유 기형광 프로브 개발과 그 응용 연구에 대해 간단히 소개하 고 있다. 지금까지 다양한 타깃 물질을 검출 혹은 영상화하기 위해 많은 형광 프로브들이 개발되어 왔다. 본 총설에서는 타깃 물질의 인지 방식에 따른 케모센서와 케모도시미터 형태를 구분하여 정의하고 각각의 예를 보이고 있다. 케모센서는 특정 분석물과 잘 결합할 수 있는 특이적 결합자리를 형광 체에 직접적으로 도입함으로써 중성분자, 이온을 분자수준 의 가역적 상호작용으로 감지하는 방식이다. 한편, 케모도 시미터는 타깃 물질과의 촉매반응, 산화환원반응, 친핵반응 등의 비가역적 화학반응을 바탕으로 색 또는 형광변화를 보 이는 방식이다. 예로 금속 이온, 음이온, 활성산소/질소종, 티올, 활성 효소 감지용 케모센서 혹은 케모도시미터 형태 의 형광 프로브들이 보고되었다. 최근 분석 대상이 인간의 생명현상 및 질병발병과 관련된 바이오 활성인자까지 확장되면서 살아있는 세포 안에서 타 깃 물질을 선택적으로, 고감도, 실시간, 바이오 친화적으로 감지할 수 있는 형광 프로브 개발과 영상화 연구에 초점이 맞춰지고 있다. 세포질, 미토콘드리아, 리소좀과 같은 특정 세포 소기관의 바이오 활성인자만을 감지하는 세포 소기관 표적화 형광 프로브 개발 연구가 대표적인 예이다. 이러한 연구는 생명현상 및 질병과 관련된 특정 분자를 세포 수준 에서 세포이하의 세포 소기관 수준까지 영상화 가능케 함으 로써 유용한 생의학 정보를 제공하고 있다. 오늘날 형광 프로브 개발 연구에 대한 막대한 관심과 생 체 영상화를 위한 응용, 융합 연구가 활발해지면서 요구되 는 사항들이 있다. 이것은 유기형광 프로브의 높은 안정성, 높은 형광수율, 근적외선 영역의 형광파장, 분석환경 친화 성에 대한 것이며, 이를 충족하는 형광 프로브 개발 연구는 효과적이고 실효성이 높은 비파괴 세포 또는 조직 영상화 를 위해 꼭 필요하다. 이를 위해서는 유기형광 프로브의 구 조적 변화에 따른 광학현상의 고차원적인 이해와 다양한 사례의 데이터베이스 구축을 통한 논리적 분석력, 창의성 이 수반되어야 할 것이다. 24 화학세계

이러 한 세포 소기관 표적(organelle targeting) 형광 프로브 의 개발은 생명현상 및 질병과 관련된 특정 분자를 세포 수 준(cellular level)에서 세포이하의 세포 소기관 수준(subcellular organelle)까지 영상화가 가능케 함으로써 유용 한 생의학 정보를 제공할 수 있게 되었다.

6 유기형광 프로브 디자인과 응용 연구 참고문헌 1. Segal, M.; Singh, M.; Rivoire, K.; Difley, S.; Van Voorhis, T.; Baldo, M. A. Nat. Mater. 2007, 6, Kim, J. S.; Quang, D. T. Chem. Rev. 2007, 107, Nolan, E. M.; Lippard, S. J. Chem. Rev. 2008, 108, Fan, J.; Hu, M.; Zhan, P.; Peng, X. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, Myochin, T.; Kiyose, K.; Hanaoka, K.; Kojima, H.; Terai, T.; Nagano, T. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, Nolan, E. M.; Lippard, S. J. Acc. Chem. Res. 2009, 42, Jung, H. S.; Verwilst, P.; Kim, W. Y.; Kim, J. S. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, de Silva, A. P.; Gunaratne, H. Q. N.; Gunnlaugsson, T.; Huxley, A. J. M.; McCoy, C. P.; Rademacher, J. T.; Rice, T. E. Chem. Rev. 1997, 97, Lee, M. H.; Kim, J. S.; Sessler, J. L. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, Xu, Z.; Baek, K.-H.; Kim, H. N.; Cui, J.; Qian, X.; Spring, D. R.; Shin, I.; Yoon, J. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, Myochin, T.; Kiyose, K.; Hanaoka, K.; Kojima, H.; Terai, T.; Nagano, T. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, Domaille, D. W.; Que, E. L.; Chang, C. J. Nat. Chem. Biol. 2008, 4, Dickinson, B. C.; Peltier, J.; Stone, D.; Schaffer, D. V.; Chang, C. J. Nat. Chem. Biol. 2011, 7, Duong, T. Q.; Kim, J. S. Chem. Rev. 2010, 110, (a) Tang, Y. H.; Lee, D. Y.; Wang, J. L.; Li, G. H.; Yu, J. H.; Lin, W. Y.; Yoon, J. Y. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, (b) Yang, Y.-K.; Ko, S.-K.; Shin, I.; Tae, J. Nat. Protoc. 2007, 2, (c) Dujols, V.; Ford, F.; Czarnik, A. W. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, (d) Santra, M.; Ko, S. K.; Shin, I.; Ahn, K. H. Chem. Commun. 2010, 46, Chan, J.; Dodani, S. C.; Chang, C. J. Nat. Chem. 2012, 4, 973, 16.Liu, T.; Xu, Z.; Spring, D. R.; Cui, J. Org. Lett. 2013, 15, Xu, Z.; Xu, L. Chem. Commun. 2016, 52, Dickinson, B. C.; Chang, C. J. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, Lee, M. H.; Park, N.; Yi, C.; Han, J. H.; Hong, J. H.; Kim, K. P.; Kang, D. H.; Sessler, J. L.; Kang, C.; Kim, J. S. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, Zhang, X.; Wang, B.; Wang, C.; Chen, L. Xiao, Y. Anal. Chem. 2015, 87, 이 민 희 Min Hee Lee 단국대학교 화학과, 학사( ) 단국대학교 화학과, 석사( ) 고려대학교 화학과, 박사( ) The University of Texas at Austin 화학과, 박사후연구원( ) 숙명여자대학교 화학과, 조교수(2015-현재) 화학세계 25

Chem. Soc. 2011, 133, 3401. 5. Nolan, E. M.; Lippard, S. J. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 193. 6. Jung, H. S.; Verwilst, P.; Kim, W. Y.; Kim, J. S. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 1242. 7. de Silva, A. P.; Gunaratne, H.

jaeryomading review.pdf

jaeryomading review.pdf 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1. S. Kim, H. Y. Jeong, S. K. Kim, S. Y. Choi and K. J. Lee, Nano Lett. 11, 5438 (2011). 2. E. Menard, K. J. Lee, D. Y. Khang, R. G. Nuzzo and J. A. Rogers, Appl. Phys. Lett. 84,