식물 치사관련 유전자를 이용하는 신규 제초제 작용점 탐색 및 조절물질 개발동향

A prognosis discovering lethal-related genes in plants for target identification and inhibitor design

신규 제초제 작용점의 발굴은 유전체학과 조합화학 등 새로운 기술이 등장하여 그 가능성이 높아지고 있다. 대략 $10^{30}$에서 $10^{50}$여 개의 화학물질의 합성이 가능하고 50,000여 개의 식물 유전자 지도가 완성되어 이들의 조합으로 새로운 제초제의 작용점 발굴 가능성이 높아지게 될 것이다. 즉, 고등식물이 가지고 있는 50,000여 개의 유전자 가운데 0.1%, 1.0% 또는 10%가 신규 작용점이 된다면 50, 500, 5000개의 신규 작용점을 발견할 수 있는 것이다. 신규 제초제의 개발을 위해서는 target enzyme의 선택과 결정, 저해제의 설계, 작용점까지 도달하는 과정, 대사적인 운명 등 여러가지 요인들이 검토되어야 한다. 이러한 과정에서 가장 중요한 것은 확실한 작용점의 선택에 있다. 또한 다양한 생화학적 정보를 통하여 작용점/효소의 저해로부터 고사에 이르는 과정을 이해함은 물론 보다 강력한 저해제의 합성과 살초과정을 이해할 수 있어야 할 것이다. 그 동안에는 이미 알려진 작용점을 대상으로 신규 화합물을 합성하거나 유도체를 개발하는 것이 대부분이었지만 최근에는 antisense 기법 등을 활용하여 새로운 치사관련 작용점을 찾아내는데 잠재력과 가능성을 확대시켜주고 있다. 새로운 치사관련 작용점을 발굴한 후에는 대상효소의 화학적, 생화학적 기능과 단백질의 구조를 분석하여 강력한 저해제를 설계하는데 활용하게 될 것이다. 치사관련 돌연변이체와 antisense 기법을 활용하고, 식물 생리학적 반응을 기초로 하여 리드화합물을 탐색하는 것은 새로운 접근방식이며 농약 화학적 특성을 갖는 효소 저해제들의 합성은 크게 6가지로 할 수 있다. 공통특이시얀 기질 유사체 합성, affinity labels, 자살기질체, 반응중간산물, 그리고 extraneous site inhibitors 등을 들 수 있다. 이와 같은 방법으로 후보화합물이 선발된다 하여도 실제식물에 처리하여 흡수, 이행, 대사 등에 관한 시험이 반드시 이루어져야 새로운 제초제를 탄생시킬 수 있다. 또한 약물의 전달과정과 무독화작용을 통하여 pro-herbicide에 대한 연구를 진행하게 될 것이며, 마지막으로 잡초와 작물간의 선택성이 고려되어야 효소 측이적 접근방식에 의한 신규 선택성 제초제의 개발이 성공할 수 있는 것이다.

New technologies will have a large impact on the discovery of new herbicide site of action. Genomics, combinatorial chemistry, and bioinformatics help take advantage of serendipity through tile sequencing of huge numbers of genes or the synthesis of large numbers of chemical compounds. There are approximately $10^{30}\;to\;10^{50}$ possible molecules in molecular space of which only a fraction have been synthesized. Combining this potential with having access to 50,000 plant genes in the future elevates tile probability of discovering flew herbicidal site of actions. If 0.1, 1.0 or 10% of total genes in a typical plant are valid for herbicide target, a plant with 50,000 genes would provide about 50, 500, and 5,000 targets, respectively. However, only 11 herbicide targets have been identified and commercialized. The successful design of novel herbicides depends on careful consideration of a number of factors including target enzyme selections and validations, inhibitor designs, and the metabolic fates. Biochemical information can be used to identify enzymes which produce lethal phenotypes. The identification of a lethal target site is an important step to this approach. An examination of the characteristics of known targets provides of crucial insight as to the definition of a lethal target. Recently, antisense RNA suppression of an enzyme translation has been used to determine the genes required for toxicity and offers a strategy for identifying lethal target sites. After the identification of a lethal target, detailed knowledge such as the enzyme kinetics and the protein structure may be used to design potent inhibitors. Various types of inhibitors may be designed for a given enzyme. Strategies for the selection of new enzyme targets giving the desired physiological response upon partial inhibition include identification of chemical leads, lethal mutants and the use of antisense technology. Enzyme inhibitors having agrochemical utility can be categorized into six major groups: ground-state analogues, group specific reagents, affinity labels, suicide substrates, reaction intermediate analogues, and extraneous site inhibitors. In this review, examples of each category, and their advantages and disadvantages, will be discussed. The target identification and construction of a potent inhibitor, in itself, may not lead to develop an effective herbicide. The desired in vivo activity, uptake and translocation, and metabolism of the inhibitor should be studied in detail to assess the full potential of the target. Strategies for delivery of the compound to the target enzyme and avoidance of premature detoxification may include a proherbicidal approach, especially when inhibitors are highly charged or when selective detoxification or activation can be exploited. Utilization of differences in detoxification or activation between weeds and crops may lead to enhance selectivity. Without a full appreciation of each of these facets of herbicide design, the chances for success with the target or enzyme-driven approach are reduced.