시퀀스 제어 폴리머

Sequence-controlled polymer
그림 1. 시퀀스 제어 폴리머의 합성 근거. 여기에 표시된 A와 B는 두 개의 자체 반응 단모선이며, 그 중 하나는 사전 보호되어 있고 그 후에 다음 추가사항을 트리거하기 위해 차단될 수 있다. 선택적 AB 반응을 바탕으로 모노머를 폴리머 체인에 순서에 따라 추가할 수 있다.

시퀀스 조절 폴리머는 고분자인데, 그 안에서 모노머의 시퀀스가 어느 정도 조절된다.[1][2] 이 통제는 절대적일 수 있지만 반드시 그렇지는 않다. 즉, 시퀀스 제어 폴리머는 균일할 수 있다(그 분산도 ð은 1) 또는 균일하지 않을 수 있다(ð>1). 예를 들어, 급진적 중합에 의해 합성된 교번 결합체는 순서가 조절되는 중합체로서, 역시 비일관적인 중합체라고 해도, 체인은 체인 길이와 구성이 약간 다르다.[2] 완벽하게 정의된 1차 구조를 가진 생물폴리머(예: 단백질)도 시퀀스 제어 폴리머다. 그러나 균일한 고분자의 경우 시퀀스 정의 고분자라는 용어도 사용할 수 있다.

전통적인 폴리머와 비교하여, 시퀀스 제어 폴리머의 구성은 다원체 반응, 클릭 반응 등과 같은 화학 합성 방법을 통해 정밀하게 정의될 수 있다. 그러한 튜닝 가능한 중합방식은 시퀀스 제어 중합체를 특정 특성으로 내포하여 시퀀스 제어 중합체 기반 애플리케이션(예: 정보 저장,[3] 생체 재료,[3] 나노 물질[4] 등)이 개발된다.

자연에서, DNA, RNA, 단백질 그리고 다른 고분자들은 잘 정돈된 구조적 골격 때문에 시퀀스 조절 중합체로 인식될 수 있다. A-T, C-G 염기쌍에 기초한 DNA는 잘 정렬된 배열로 형성된다. 20개의 아미노산은 DNA의 정확한 시퀀스를 통해 전사 및 번역 과정을 통해 3차원 구조로 순차 펩타이드 체인을 생성할 수 있다. 이러한 다른 성분들의 순서는 유기체에게 복잡하고 다양한 기능을 부여한다.

합성 방법

전통적인 중합체는 보통 한 개의 반복 단위 또는 여러 개의 반복 단위로 구성되며, 무작위 시퀀스로 배열된다. 시퀀스 제어 폴리머는 순서에 따라 배열되는 서로 다른 반복 단위로 구성된다. 수열을 제어하기 위해 다양한 종류의 합성 방법론이 개발된다.

시퀀스 제어 생물 중합

그림 2. 리보솜에서의 전사-번역 프로세스의 도식도. mRNA의 코돈과 tRNA의 구체적인 인식은 순서가 정해진 펩타이드의 순서를 보장한다. 펩타이드 결합은 두 개의 인접한 tRNA에서 아미노 그룹과 에스테르 그룹 사이의 중간을 통해 형성되며, 전면 tRNA 제거 및 단계별 후속 tRNA 삽입이 이루어진다. 이 환원성 주기는 시퀀스 제어 중합체(펩타이드)를 제공한다.[5]

DNA, RNA, 단백질은 생명체에서 가장 흔한 염기서열 조절 중합체다. 이들로부터 영감을 받아 DNA나 RNA를 폴리머의 시퀀스를 제어하는 템플릿으로 활용하는 중합화 방법이 개발된다. 처음에는 DNA나 RNA를 템플릿으로 삼아, 과학자들은 DNA 중합체를 사용하지 않고 PNA(Peptide Nucleic Acid, PNA) 기반의 중합체를 개발했다.[6][7] 그러나 이 방법은 중합 규모와 수율에 한정되어 있다.[1] 그 후 중합효소 연쇄반응(PCR)이 개발되는데, 이는 현재도 가장 광범위하게 사용되는 시퀀스 조절 방법이다.[8] 효소를 채용함으로써 수율과 저울이 크게 증가하지만 자연 펩타이드에 대한 효소의 특수성은 이 기법을 어느 정도 제한한다. 요즘은 리보솜이 전사·번역 과정을 직접 모방할 수 있는 활용에 더 많은 관심이 쏠리고 있다.[9] 단백질 공학이라 불리는 이 기술은 시퀀스 제어 중합체의 합성을 위한 가장 유망한 생물학적 중합법으로 여겨진다.

시퀀스 제어 화학 중합

생물학적 중합법 외에도 과학자들은 시퀀스 조절 중합체를 위한 수많은 화학 합성법도 개발했다. 생물학적 중합에 비해 화학적 중합은 더 나은 다양성을 제공할 수 있지만 대부분의 화학적 방법은 생물학적 방법의 효율성과 특수성을 제공할 수 없다.[1]

고체상 합성

화학적 중합법 중 하나가 고체상 합성법인데, 자연산과 비자연 아미노산으로 구성된 펩타이드 합성에 사용할 수 있다. 이 방법에서, 모노머는 카보닐 그룹과 아미노 그룹 사이의 아드레날린을 통해 폴리머 체인에 부착된다. 시퀀스 제어를 위해 아미노 그룹은 보통 9-fluorenylmethylxycarbonyl 그룹(Fmoc)과 t-butyloxycarbonyl(Boc)에 의해 보호되며,[10] 이는 각각 염기 및 산성 환경에서 제거되어 다음 라운드 체인 연장에 참여할 수 있다.

시퀀스 제어 급진 중합

급진적 중합은 가장 흔히 사용되는 중합법 중 하나이다. 상업적으로 이용 가능한 중합체의 약 50%는 급진적인 중합에 의해 합성된다.[11] 그러나 이 방법의 단점은 시퀀스 및 중합체 특징을 잘 변조할 수 없다는 것이 명백하다. 이러한 제약을 극복하기 위해 과학자들은 채택된 프로토콜을 최적화했다. 첫 번째 보고된 예는 스티렌의 원자 전달 급진적 중합화에서 고반응 N 대체 말레미드들의 시간 제어식 순차적 첨가였으며, 이로 인해 기능적 단량체의 순서가 프로그래밍되었다.[12] 원자 전달 급진 중합체(ATRP)에 단분자 첨가(단분자 첨가)가 개발되어 급진 중합체의 시퀀스 제어를 강화한 것도 보고되었다.[13] 다른 해결책에는 후속 가역적 덧셈-파편화 체인 전이 중합(RAFR-폴리머레이션) 사이에 원하는 과점기 순서를 분리하기 위한 중간 정화 단계의 사용이 포함된다. 플래시 컬럼 크로마토그래피와[14] 재활용 크기 제외 크로마토그래피[15] 모두 이 점에서 성공적인 것으로 입증되었다. RAPT 단일 단위 모노머 삽입(SUMI)은 최근 모노머 시퀀스의 정밀한 제어를 위한 신기술로 개발되고 있다.[16]

시퀀스 제어 비방사성 중합

그림 3. 시퀀스 제어 폴리머 합성에 있어서의 클릭 화학의 예. (R은 다양한 종류의 기능적 모이에티를 말한다)

시퀀스 제어 중합체에 대한 급진 중합체의 본질적 부족을 위해 다른 비방사성 중합체도 개발된다. 이러한 비방사성 방법 내에서 아지드-알킨 사이클로어데이션([18]일명 클릭 반응), 올레핀 메타텍스[19] 등을 사용하여 시퀀스 제어 중합체를 구성한다. 이러한 구체적인 화학 반응에 따라 고분자 체인에 모노머를 정확하게 첨가하고 순서가 잘 잡힌 체인을 단계별로 완성한다. 한편 화학자들은 복수의 화학반응을 가함으로써 폴리머 골격의 건설을 가속화하고 또한 다양성을 높이기 위한 다요소 반응도[20] 개발하였다. 앞에서 말한 것을 넘어서는 분자 기계를 개발하는 연구 그룹이 있었는데, 이 연구 그룹은 성공적으로 과점화물의 시퀀스 제어 중합화를 달성했다.[21]

시퀀스 제어 개선을 위한 방법론

시퀀스 제어 폴리머의 가장 중요한 특성은 폴리머 백본의 제어 가능한 시퀀스다. 그럼에도 불구하고, 정확한 시퀀스 제어를 실현하고 더 큰 폴리머 백본에서 시퀀스를 조절하는 것 또한 가장 시급한 문제로서 시퀀스 제어 폴리머 분야에서 다뤄질 필요가 있다. 현재 존재하는 합성 방법의 시퀀스 제어 특성을 개선하고 더 나은 합성 효율과 시퀀스 제어를 통해 새로운 방법을 더욱 발전시키기 위한 방법의 개발 및 최적화에 많은 노력을 기울였다.

템플릿 활용도

다른 화학 합성 방법에 대한 시퀀스 제어 생합성성의 가장 중요한 특징 중 하나는 생체 분자(DNA와 RNA 포함)가 고도로 프로그래밍된 템플릿을 사용하여 중합성을 시작할 수 있다는 것이다. 따라서 PCR과 같이 생합성 방법은 여전히 시퀀스 제어 폴리머를 개발하는 가장 설득력 있는 방법 중 하나로 간주된다.

단량체의 반응도 조절

모노머와 성장하는 고분자 체인 사이의 반응도를 조절하는 것도 시퀀스 제어를 강화하기 위한 또 다른 접근법이다.[22] 이 방법의 근거는 모노머가 휴면종으로 시작할 때 첫 번째 촉매로 활성화되어야 하며, 이후 두 번째 촉매가 도입되면서 중합에 참여할 수 있다는 것이다. 실제 예로는 비닐에테르와 스티렌 유도체의 시퀀스 제어 중합화를 달성하기 위한 1차 촉매로는 HI, 2차 촉매로는2 ZnI의 활용이 있다.[23]

인식지향적 삽입

그림 4. 모노머의[24] 현장 고유 추가를 위한 인식 사이트로 아민 펜던트의 활용 사례

이 접근법에서 폴리머의 인식 부위는 폴리머 체인에 모노머를 비균등하게 고정시키기 위해 제공되며, 이후에 폴리머 백본에 화학적 삽입을 거칠 수 있다. 하나의 성공적인 예는 메타크릴산(모노머)이 인식 가능한 양이온 사이트(프로토네이션된 1차 아민 펜던트)를 특징으로 하는 백본에 근본적으로 통합될 수 있다는 것을 보여준다.[24] 이러한 현장 고유 반응에 의해 구동되는 시퀀스 제어 중합은 차이점 인식 펜던트로 장식된 템플릿을 사용하여 달성할 수 있다.

속성 및 응용 프로그램

시퀀스 조절 폴리머의 가장 구별할 수 있는 특징은 서로 다른 반복 단위로 구성된 정렬이 잘된 체인이다.[25] 반복단위를 부호화함으로써 그에 상응하는 합성 시퀀스 제어 폴리머를 데이터 저장에 사용할 수 있다.[26] 모노머를 생체활성 모이에티로 수정하기 위해, 획득한 시퀀스 제어 폴리머는 질병을 치료할 수 있다. 시퀀스 제어의 특성은 시퀀스 제어 폴리머를 다양한 종류의 펜던트(약물, 촉매 등)를 설치하기 위한 이상적인 플랫폼으로 만들어 다양한 기능과 용도를 실현할 수 있다.

참조

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