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핵심내용

-NMR을 이용하여 생체막 단백질 구조 초고속 규명 방법 개발-

 □교육과학기술부(장관 안병만)는 첨단 핵자기공명장치(NMR: Nuclear Magnetic Resonance)와 선택적 신호관측기법을 이용하여 신약발굴에 중요한 생체막 단백질 구조를 기존에 비하여 훨씬 신속하게 규명하는 방법을 개발하였으며, 이를 통하여 향후 신약발굴의 난제 극복을 위한 핵심 열쇠를 확보하게 됐다고 26일 밝혔다.

 ○ 이번 연구는 한국기초과학지원연구원 전영호 박사팀과 미국 솔크연구소의 최승현 박사팀, 인천 송도의 jCB(Joint Center for Bioscience) 연구소가 공동으로 수행하였으며, 이 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences)에 2010년 5월 25일자(온라인판)로 발표되었다.

 ○ 특히 이번 연구는 교육과학기술부의 21C 프론티어 미생물유전체활용기술개발사업(단장 오태광)과 한국기초과학지원연구원(원장 박준택)의 세포막단백질사업(KMEP, 연구책임자 김승일)의 지원을 받아 이루어졌다.

□ 생체막 단백질은 세포 내부와 외부간의 에너지 대사, 외부 신호 감지, 물질 수송 및 통로 등 세포의 중요한 생리기작을 담당하고 있다. 이 때문에 현재 시판중인 약물의 약 50% 이상이 생체막 단백질을 약물이 작용하는 작용점으로 활용하고 있다. 이처럼 생체막 단백질은 매우 중요한 연구대상임에도 불구하고, 막단백질 생산의 어려움과 구조규명에 대한 기술적인 어려움으로 인하여 전체 단백질 연구의 약 1% 미만의 연구결과만을 보이고 있다. 

□ 이번 공동연구진은 ‘고자장 NMR을 이용한 신호관측기법 및 무세포 단백질 합성을 이용한 이중조합 표지기법’을 활용하여 종전에 약 1년 이상 소요됐던 생체막 단백질의 구조연구를 획기적으로 단축하는 기술을 개발하였다. 연구진이 제시한 방법에 따르면, 약 2~3개월 안에 단백질 생산으로부터 3D 구조 규명까지 가능한 것으로 밝혀졌다.

 ○ 실제로 연구진은 대장균 신호전달을 조절하는 3종의 센서 막단백질의 막 관통부위 구조를 8개월 만에 규명하는 쾌거를 이루었으며 이러한 결과를 토대로 향후 신약표적으로 활용될 수 있는 인간 막단백질의 연구를 수행할 예정이다.

□ 연구진의 기술로, 의약학적으로 중요하지만 연구의 불모지에 해당하는 생체막 단백질의 3차원 구조규명뿐 아니라 새롭게 개발한 약물과의 결합을 확인할 수 있는 NMR 신호의 신속한 규명이 가능함에 따라, 본 기술은 신약발굴을 위한 핵심원천기술이 될 것으로 전망된다.

□ 한국기초과학지원연구원 전영호 박사는 “생체막 단백질은 에너지 대사 뿐만 아니라 병원균 감염의 주요 통로로 작용하고 있다. 이번의 연구 성과는 현재까지 난제로 알려진 생체막 단백질에 대한 연구를 획기적으로 발전시킬 수 있는 핵심 원천기반기술로서 신약개발의 핵심난제를 극복하였을 뿐 아니라 국가적 첨단연구장비를 원천기술개발에 활용한 우수한 성공사례가 될 수 있다“고 밝혔다.

□ 이번 성과에 대해 미생물유전체활용기술개발사업단장 오태광 박사는 “세포막에 파묻혀 있는 단백질인 막단백질은 3차 구조결정연구가 어려운 고난이도 단백질의 대표격으로 세포 내외의 정보 전달에 관여하므로 약물의 중요한 표적이다.”라고 설명하며, “이번 연구를 통한 고난이도 단백질들의 구조, 기능의 해명은 세포의 활동을 통하여 생명을 이해하고 질병의 치료 등에 응용하는데 있어 큰 의의를 가지며, 이번 성과를 이용한 질병의 진단, 치료법의 개발 등 산업적 응용이 크게 기대된다.” 고 평하였다.

상세내용

[ 용  어  설  명]

□ 핵자기공명장치 (NMR)

  ○ 핵자기공명장치(NMR: Nuclear Magnetic Resonance)는 분자 내의 수소, 질소, 탄소 사이의 거리와 각도를 측정해 거대 생체고분자의 구조를 밝혀내는 장치다. 신의약 개발 등 생명과학(BT) 분야 핵심 연구장비로 단백질을 포함한 생체고분자의 구조규명, 결합 구조를 밝히는 데 활용된다. 900 MHz란 NMR 자장내에서 수소의 공명 주파수가 900x106 Hz 라는 의미로 현재 세계 최고 수준이며 자장의 세기로는 지구 자기장의 40만 배가 조금 넘는 21.14 테슬라(Tesla)에 해당된다.

  ※ 기초(연)은 충북 청원군 오창과학산업단지에 오창캠퍼스를 설치하고 지난 2006년 4월에 교육과학기술부 차세대 자기공명장치 설치운영사업(책임자 : 정재준 박사)을 통하여, 첨단자기공명연구동(Advanced Magnetic-Resonance Research Building)을 건설했다. 이 연구동에는 단백질 구조규명의 핵심장비인 900 MHz, 800 MHz NMR과 동물영상연구를 수행할 수 있는 4.7 T MRI 장치 등을 설치하고 기초과학연구 지원 및 공동연구에 활용해왔다.

□ 생체막 단백질 (Membrane Proteins)

  ○ 생체막 단백질은 세포막 및 미토콘드리아 등 세포를 구성하는 지질이중막에 존재하는 단백질로서, 에너지 대사, 외부 신호 감지, 물질 수송 및 통로 등 세포의 중요한 생리기작을 담당하며, 현재 시판중인 50% 이상의 약물이 작용하는 작용점으로서, 매우 중요한 연구대상임에도 불구하고, 기술적인 어려움으로 인하여, 전체 단백질 연구의 약 1% 미만의 연구결과를 보이고 있다. 

□ 무세포 단백질합성 (Cell-free Protein Synthesis)

  ○ 일반적으로 인체의 단백질을 대량으로 생산하기 위해서는 재조합단백질기술을 활용하여, 대장균, 효모, 또는 곤충세포 등 숙주세포 안에서 단백질을 대량생산하는 것이 보통이다. 이러한 방법은 세포독성 등으로 인해 단백질 종류에 따라 숙주세포에서 생산하기 어려운 경우가 있으며, NMR 연구를 위한 선택적 표지기법 (specific labeling)에도 많은 어려움을 갖고 있다. 반면에 세포내의 단백질 합성 기구를 시험관 내에서 재구성하여 단백질을 합성하는 무세포 단백질합성(cell-free protein synthesis)법은 대량 스크리닝이 쉽고, 선택적 표지기법에도 높은 효율과 많은 장점이 있어서, 기술개발이 활발히 진행되는 방법이다.

□ 이중조합 표지(신호관측)기법 (Combinatorial Dual-Labeling, CDL)
  ○ 단백질의 NMR 구조연구를 위해서는 단백질의 탄소 및 질소원자를 각각 질량수가 높은 13C 및 15N으로 치환시킨 단백질을 활용한다. 20종의 아미노산중, 단백질 서열상에서 연속되는 특정 아미노산 두 종을 13C 및 15N으로 치환시키면, 복잡한 NMR 신호를 단순화하여, 특정 위치의 NMR 신호를 규명할 수 있게 된다. 본 연구진은 다양한 조합의 연속되는 아미노산의 NMR 신호를 규명할 수 있도록, 13C 및 15N으로 표지할 아미노산을 서열상에서 디자인함으로써, 단백질 전체의 골격 NMR 신호를 규명하는 방법을 확립하고 이것을 이중조합 표지기법 (combinatorial dual- labeling) 이라고 명명 하였다.

[관  련  사  진]

1.  대장균의 센서 막단백질 입체구조
  고자장 NMR 및 이중조합 신호관측기법을 이용하여 대장균의 신호전달을 조절하는 센서 막단백질 3종의 3차원 입체구조를 규명하였다.

2.  이중조합 신호관측기법 (Combinatorial Dual-Labeling, CDL)
  다양한 조합의 연속되는 아미노산의 NMR 신호를 규명할 수 있도록, 13C 및 15N으로 표지할 아미노산을 서열상에서 디자인함으로써, 단백질 전체의 골격 NMR 신호를 규명하는 방법.

3.  고자장 자기공명장치 (High Field NMR)
  자기공명장치(NMR: Nuclear Magnetic Resonance)는 분자 내의 수소, 질소, 탄소 사이의 거리와 각도를 측정해 거대 생체고분자의 구조를 밝혀내는 장치.