최근 세포 생물학 및 분자 생물학에 대한 이해가 급격히 증가하고 있습니다. 이러한 중요한 발견을 통해 과학은 오래된 문제에 대한 새로운 해답을 고안함으로써 발전하기 시작합니다.

이러한 지속적인 과학적 발전 중 하나가 바로 분자 설계입니다. 이 글에서는 분자 설계와 그 주요 목적에 대해 간단하고 역동적인 방식으로 자세히 알아볼 수 있습니다.

분자란 무엇인가요?

분자는 두 개 이상의 원자로 이루어진 그룹으로, 순수한 물질이 그 함량과 화학적 특성을 유지하면서 분할될 수 있는 가장 작은 인식 가능한 단위입니다. 분자는 원소 기호와 원자 수를 나타내는 기호로 식별됩니다.

이원자 분자는 두 개의 원자만 결합할 때 형성됩니다. 일산화탄소(CO)는 탄소 원자 1개와 산소 원자 1개로 구성된 이원자 분자입니다. 동핵 이원자 분자는 산소(O2)와 질소(N)(N2)와 같이 정확히 동일한 원소의 원자 두 개가 결합할 때 형성됩니다. 물(H2O) 및 이산화탄소와 같은 다원자 분자는 두 개 이상의 원자(CO2)를 포함합니다. 고분자는 수천 개의 원자를 포함할 수 있는 더 큰 분자입니다.

분자로서 원자는 다양한 방식으로 결합할 수 있습니다. 동일한 원자가 서로 다른 양으로 결합하여 여러 분자를 형성할 수 있습니다. 물(H2O)은 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 구성되는 반면, 과산화수소는 수소 원자 2개와 산소 원자 2개(H2O2)로 구성됩니다. 또한 같은 원자가 같은 비율로 결합하더라도 물리적 구조는 다를 수 있습니다. 분자의 물리적 구조가 그 특성을 결정합니다. 

분자 설계

분자 설계는 두 가지 이상의 구성 요소를 결합하여 새로운 생물학적 작용제를 생성하는 공학/과학적 구조입니다.

화학자는 기술적 전문 지식을 활용하고 분자 설계를 수동으로 실험하여 특정 특성을 가진 원자와 결합의 그룹인 작용기를 도입하고 제거합니다. 이상적인 속성을 예상하는 방법을 사용하더라도 화학자는 각 수정 단계를 수동으로 수행해야 합니다. 이렇게 하면 각 단계마다 시간이 오래 걸리고 적절한 특성을 가진 분자를 얻지 못할 수 있습니다.

분자 설계의 목적

제약 산업에서 분자 설계는 귀중한 자산입니다. 새로운 항암제가 출시될 때마다 새로운 분자 설계를 구축하고 테스트하기 위해 수년간 보이지 않는 곳에서 노력한 과학자들의 노력이 반영됩니다.

분자 설계를 수정하는 목적은 안전하고 간단하게 제조할 수 있으면서도 의약품의 효과를 최대한 높이는 것입니다. 이러한 유형의 작업에는 테스트를 위해 각각의 대체 분자 구조를 구성하는 작업이 포함되는데, 연구자가 탄소 원자 하나만 수정하려고 해도 수천 가지의 다양한 가능성 중에서 선택하여 구조를 만들어야 하므로 시간이 많이 걸리는 작업입니다.

이를 위한 한 가지 방법은 컴퓨터 지원 분자 설계(CAMD)를 사용하는 것입니다. 신약 개발은 특정 분자 공간에 올바른 분자와 올바른 물리화학적 특성을 위치시키는 것을 목표로 시작되는 문제 해결 프로세스입니다. 여기서 CAMD 알고리즘이 작동하기 시작하여 활성 제약 성분을 설계하고 개발할 뿐만 아니라 부형제 및 운반체 분자를 선택하는 분자 설계를 시작합니다. 

CAMD는 제약 분야의 어려움을 어떻게 처리할 수 있는지, 그리고 시간이 많이 걸리는 시행착오 기술을 컴퓨터 접근법으로 어떻게 크게 대체할 수 있는지를 보여주기 위해 왔습니다. 

다음과 같은 몇 가지 새로운 기술이 개발되고 있습니다. MIT 연구진이 만든 머신러닝 모델 분자 설계를 자동화하여 약물 개발 속도를 높임으로써 화학자들이 더 높은 효능을 가진 분자를 훨씬 더 빠르게 생산할 수 있도록 도와줍니다. 

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