DFT 계산 및 docking simulation을 통한 Rhodamine-6G derivative와 금속 이온 간의 결합 검증

제목	DFT 계산 및 docking simulation을 통한 Rhodamine-6G derivative와 금속 이온 간의 결합 검증
추천 연구 논문	Colorimetric devices for naked-eye detection of Fe3+ and Cu2+: Optical properties, DFT calculations, and molecular docking studies
선정 이유	이 연구의 궁극적인 목적은 철이온과 구리이온을 detection하기 위한 chemosensor의 개발과 관련된 연구이다. 하지만 이 연구팀이 금속 이온의 detection을 평가 및 분석하는 과정에서 사용한 DFT(Density functional theory) 계산, HOMO-LUMO 분석 및 Molecular docking simulation 연구를 보고 생체 시계 연구에 적용하면 어떨까 하며 해당 논문을 선정하였다. 생체 시계의 메커니즘은 수많은 단백질들이 결합하고 떨어져 나가기를 주기적으로 반복하는 시스템을 가진다. 이때 단백질들 간의 수많은 상호작용들이 이루어지는데, 이들 간의 주요 상호작용을 이해하며 분자 구조와 에너지 수준을 예측하고, 전자 구조와 전하 이동 메커니즘을 파악한다면 생체 시계 연구에 있어 많은 도움이 될 것이라고 생각한다.
주요 내용	해당 논문은 효율적이고 빠르게 1ppm 농도 이하의 구리 이온을 감지할 수 있는 저렴한 종이 기반 장치를 만들어냈다는 것이 결과이다. 이를 만드는 과정에서 해당 연구팀은 rhodamine-6G derivative인 P1을 합성하였고, 이를 구리, 니켈, 칼슘, 철, 인, 수은, 카드뮴 등의 다양한 금속 이온들과 반응시켰다. 그리고 이를 육안으로 확인해보고, UV-visible absorbance spectra, titration spectral change, Job’s plot, FTIR(Fourier-transform infrared spectroscopy) 분석, XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석, HOMO-LUMO energy gap을 통한 DFT(Density functional theory) 계산, Molecular docking simulation 분석을 하였다. 실험 결과, 구리 이온과 철 이온이 가장 색 변화가 뚜렷하였지만, 종이 기반 센서에 적용을 하였을 때, 철 이온은 효과가 별로 좋지 않아, 구리 이온을 감지하는 종이 기반 센서를 최종적으로 만들었다. 이 연구팀은 앞서 말했던 분석들을 하며, 금속 이온과 P1간의 상호작용에 대해 심층적인 분석을 하였다. P1과 금속 이온이 결합할 때, 어떤 부분에서 전자의 이동이 있는지, 결합을 하기 전과 후의 전자의 이동이 어떻게 발생하는 지 등을 알아내었다. 그리고 마지막으로, P1이 DNA와 상호작용하는 것을 이해하면, 금속 이온의 존재에서의 그 행동을 밝혀내어, 분자 기작에 대한 가치 있는 통찰력을 제공하고 금속 이온 감지를 넘어, 더 넓은 생물학적 관련성을 검증할 수 있을 것이라는 기대로, Molecular docking simulation을 진행하였고, P1과 HSA(Human serum albumin), BSA(Bovine serum albumin)간의 상호작용을 분석하여, P1이 HSA와의 결합이 BSA보다 강하다는 것을 알아내었고, P1과 HAS의 LYS195이 xanthene에 연결된 isoindole ring의 -C=O 그룹과 수소 결합을 형성하여 상호작용에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혔다. 마지막으로, DNA dodecamer와 P1을 docking simulation하여 이들이 결합하면, 평면적인 xanthene 구조가 DNA 염기쌍 사이에 들어가고, 나머지 구조는 DNA 내에서 수직으로 정렬되어 그 pose가 안정화된다는 것을 분석했다. 이를 통해, 잠재적인 향후 치료적 응용 가능성에 대한 통찰력을 제공하며 연구가 마무리 되었다.
시사점	해당 논문은 Rhodamine-6G derivative가 철과 구리이온을 detection하는 것에 있어 좋은 결과를 보여주고, 이러한 특징을 살려서 산업 폐수 등에서 구리 이온을 빠르고 간편하게 탐지할 수 있는 종이 센서를 만들었다는 논문이다. 생체 시계에 관한 연구와 직접적인 연관은 없는 논문이지만, 이 논문의 연구 과정에서 활용한 기술들 중 HOMO-LUMO 간의 DFT 계산이 인상깊었다. 수많은 단백질들의 상호작용이 이루어지고 떨어지기를 반복하는 생체 시계 메커니즘에서 이 기술을 활용한다면, 생체 시계 메커니즘 속 단백질들이 complex를 형성할 때의 어떠한 전자가 어디로 이동하는 지, HOMO와 LUMO 간의 energy gap을 통하여 어떤 complexation이 더 형성되기 에너지적으로 유리한 지 등을 알 수 있게 될 것이다. 또한, 최적의 stoichiometry(화학양론 비율)를 측정한 Job’s plot이라는 실험 기법도 영감을 주었다. 이 방법은 복합체 형성에서 리간드와 금속 이온 간의 상호작용을 분석하여 그들이 어떤 비율로 결합하는지를 알아내기 위해 사용하는데, 이를 컴퓨터에 적용하여, 컴퓨터 시뮬레이션 상으로 구현할 수 있는 방법을 고안하여 이를 시뮬레이션 상에서 구현할 수 있게 한다면 약을 개발할 때 많은 도움이 될 것이라는 기대도 있다. 즉, 여러 단백질들 간의 상호작용에 대해 더 깊은 이해를 할 수 있게 되는 것이다. 이들을 활용할 수 있게 되고, 알 수 있게 된다면, 생체 시계에 관한 연구를 하는 것에 있어서 도움이 많이 될 것이라 기대된다.