살조물질 개발을 위한 Benzylamine 유도체의 합성 및 SAR

Abstract

Harmful algal blooms are regarded as a serious water pollution problem worldwide. These masses of overgrown algae, resulting from water temperature rise due to eutrophication and global warming, reduce the light permeability of the water and cause tremendous damage to fisheries such as massive fish kills due to Microcystin toxins produced by harmful algae along with the decrease in dissolved oxygen caused by oxygen consumption in the course of bacterial degradation of algal debris. Our lab has developed a variety of algaecides capable of selective control of harmful algae causing water pollution. In this study, we have synthesized various benzylamine derivatives based on previous research and analyzed their structure-activity relationships (SARs) towards Microcystis sp., a harmful algal species belonging to the freshwater Cyanobacterial genus. Furthermore, we evaluated the selective algaecidal effect of compound 34 on Microcystis aeruginosa and Selena strum, harmful and non-harmful algal species, respectively, and verified its high selectivity. In an additional experiment to evaluate Its algaecidal effect on red-tide species (H. circularisquama, C. marina, and H. akashiwo), no significant algaecidal effect was observed. After selecting eight candidate compounds that showed high algaecidal activities against harmful algae, we measured the chlorophyll content, which is used as a measure of algal biomass, and performed toxicity testing on zooplankton water fleas (Daphnia magna) and Zebrafish (Danio rerio). After a 5-day treatment at 0.5 μM concentration, chlorophyll was reduced by as much as 75% relative to the control group (291.874 mg/mL vs. 1150.506 mg/mL) compounds 20, 34, and 41. Toxicity testing on Daphnia magna and Danio rerio revealed all compounds to have EC50 values exceeding 17.11 µM and 45.97 μM, respectively, i.e., 34-fold and 92-fold their respective treatment concentrations for controlling Microcystis sp., demonstrating low toxicity. To gain insight into the mechanism of the substance that showed high algaecidal effect on Microcystis sp. and Microcystis aeruginosa, we observed the time-series degradation status of the algal specimens after being treated with compound 34 at 0.5 µM concentration using S.E.M (Scanning Electron Microscopy) and TEM (Transmission Electron Microscope)|전 세계적으로 심각한 수질오염 문제로 인식하고 있는 유해조류는 부영양화와 지구온난화에 따른 수온상승과 함께 과잉성장 하여 수체의 빛 투과성을 감소시키고, 조류의 사체를 박테리아가 분해하는 과정에서 산소 소비로 인한 용존산소량 감소와 함께 유해조류에 의해 생성된 Microcystin 독성물질로 인해 물고기 폐사 등 수산업에 막대한 피해를 주고 있다. 본 연구실에서는 수질오염을 야기하는 유해조류를 선택적으로 제어할 수 있는 다양한 살조 물질을 개발해 왔으며, 본 연구에서는 선행 연구를 토대로 다양한 Benzylamine 유도체를 합성하고, 담수(Fresh water)에서 자라는 유해조류인 남조류(Cyanobacteria)에 속하는 Microcystis sp.에 대해 SAR (Structure-Activity Relationship)을 분석하였으며, 추가적으로 유해조류에 대한 선택적 살조능을 확인하기 위해 화합물 34를 이용하여 유해조류인Microcystis aeruginosa와 무해조류인 Selena strum에 대해 평가를 수행한 결과 높은 선택성을 보였다. 또한, 적조(Red tides) 종인 H. circularisquama, C. Marina, H. akashiwo에 대해 살조능 평가를 진행하였으며, 그 결과 적조종에 대해서는 큰 살조능을 보이지 않았다. 유해조류에 대해 높은 살조 능력을 보인 8개의 후보물질을 선정하여 조류의 양을 측정하는 지표로 사용되는 Chlorophyll 측정과 동물성플랑크톤인 물벼룩(Daphnia magna) 및 제브라피쉬(Danio rerio)에 대한 독성평가를 진행하였다. 화합물 20, 34, 41의 경우 0.5 µM 농도에서 약물처리 5일 후 Chlorophyll은 대조군1150.506 mg/mL 대비 약 75% 감소된 291.874 mg/mL 으로 눈에 띄게 감소하였다. 물벼룩(Daphnia magna)에 대한 독성평가 결과 모든 화합물에 대해 EC50 값이 Microcystis sp.제어를 위한 처리농도의 약 34배 높은 17.11 µM이상으로 나타났으며, 제브라피쉬에 대한 독성은 약 92배 높은 45.97 µM이상으로 나타나 낮은 독성을 보였다. Microcystis sp.와 Microcystis aeruginosa에 대한 높은 살조 효과를 보인 약물에 대한 메커니즘 규명을 위해 화합물 34를 0.5 µM로 처리한 후 시간에 따른 S.E.M (Scanning Eletron Microscope)과 T.E.M (Transmission Electron Microscope) 촬영을 통해 유해조류 파괴 현상을 관찰하였다.