바이오인

핵심내용

플러렌-단백질 복합체 3차원 구조 최초 규명
규칙적 배열을 통해 전기가 통하는 나노-바이오 복합체 개발

◇ 김용호 교수팀 세계적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 논문 게재
◇ 바이오 기반 재료 이용해 개발한 나노 구조체 제약산업 등 활용 가능성 매우 높음

□ 국내 연구진이 자기조립 단백질*을 이용하여 플러렌**-단백질(COP) 복합체의 3차원 구조를 세계 최초로 규명하였다.
* 자기조립 단백질(COP, C60 Organizing Peptide) : 자발적인 단백질의 자기조립 성질을 이용하여 플러렌과 상호작용 할 수 있도록 디자인된 단백질.
** 플러렌(Buckminster Fullerene, C60) : 버크민스터 플러렌. 흑연, 다이아몬드에 이어 제3의 탄소 총칭. 60개 이상의 탄소 원자가 강하게 결합하여 구상으로 연결된 축구공 모양의 분자. 이러한 독특한 구조로 인하여 알츠하이머 등과 같은 질병이나 유리-라디칼과 관련한 의약분야 등에서 이용가능성이 매우 높음.

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 미래유망융합기술 파이오니어 사업의 지원을 받은 김용호 교수(성균관대학교)가 De novo 단백질 디자인* 기법을 이용하여 플러렌-단백질 나노 복합체를 결정화하였다고 밝혔다.
     * De novo 단백질 디자인 : 이전에 존재하지 않던 새로운 구조의 단백질을 만들어내는 연구. 기존에 연구된 단백질 구조에 대한 정보를 바탕으로 1차원적인 아미노산 서열을 처음부터 새롭게 배열함.

 o 플러렌-단백질 복합체는 플러렌이 자기조립 단백질에 의해 규칙적으로 배열이 가능하고, 절연성인 단백질 결정이 전기적 특징을 지닌 전도성 결정으로 변화할 수 있음을 보여준다.

□ 이번 연구결과는 세계적 학술지 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communication)’에 4월 27일 온라인판에 게재되었다.

□ 플러렌은 내부에 금속을 도입하여 전도체, 초전도체*로 활용하거나 플라스틱에 넣어 절삭도구로도 이용되는 것처럼 윤활제, 공업용 촉매제, 의약품 등 다양한 산업 분야에서 응용되는 대표적인 나노물질이다.
 * 초전도체 : 전도체보다 전기 저항이 거의 없어 전류가 손실 없이 흐르는 반자성 물질
 o 그러나 유기용매에 대한 낮은 용해도와 자발적 응집현상*과 같은 민감한 물리·화학적 성질 때문에 다양한 응용에 어려움이 있다.
 * 자발적 응집현상 : 플러렌 분자들이 축적되면서 자발적으로 응집체를 형성하는 현상

□ 나노 구조물 또는 나노-바이오 복합체를 만들고자 하는 연구는, 소재가 지닌 물리적 성질의 한계를 넘어서고 시너지 효과를 통한 새로운 기능을 개발할 수 있기에 활발히 진행되고 있다.

 o 그 중 생체재료인 단백질 또는 펩타이드를 이용한 나노-바이오 복합체는 산업 분야 뿐 아니라 인간에게도 적용 가능한 의약 분야에도 유용하게 쓰일 수 있다.

□ 이에 김용호 교수팀은 원자 수준의 구조를 규명하는 X-선 결정학 기법*을 이용해 플러렌-단백질 복합체의 고해상도 3차원 구조를 세계 최초로 규명하였다.
 * X-선 결정학 기법 : 단백질 결정의 X-선 회절패턴을 분석하고 위상정보의 계산 및 전자밀도 지도를 획득하여 원자 수준의 고해상도 3차원 구조를 규명하는 기법
 o 연구진은 플러렌을 단백질 용액에 분산*시켜 단백질-플러렌 복합체를 제작하여 결정화에 성공하였다.
 * 분산 : 딘백질 수용액에 플러렌을 녹여 플러렌의 유기용매에 대한 수용성을 높임

□ 김용호 교수는 “단백질 디자인을 통하여 플러렌을 규칙적으로 정렬하는 최초 모델을 제시하여 향후 나노-바이오 신물질 개발과 새로운 전기전도성 단백질 기반 소재 개발에 매우 중요한 적용기법으로 활용될 것으로 기대된다.”며 연구의 의의를 밝혔다.

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Protein-Directed Self-Assembly of a Fullerene Crystal
   - 저자 정보 : 김용호 교수(교신저자, 성균관대), 김국한 연구교수(주저자, 성균관대)

□ 논문의 주요 내용

  1. 연구의 필요성
   ○ 플러렌은 비극성 분자로 벤젠이나 톨루엔과 같은 비극성용매에만 부분적으로 녹는 성질을 가지며 빛에 매우 민감한 분자로 빛을 받으면 들뜬 상태가 되어 쉽게 라디칼이나 광증제가 될 수 있다. 이러한 플러렌의 전기화학적 성질과 독특한 케이지 구조 때문에 여러 금속원자를 섞어 도체, 초전도체로 이용되거나 촉매, 센서, 바이오메디컬 등 다양한 산업분야에서 그 응용성이 부각되고 있다. 그러나 유기용매에 대한 낮은 용해도와 자발적 응집현상, 민감한 물리적 화학적 성질 때문에 이용하는데 있어 여러 어려움이 있다.

   ○ 새로운 기능을 가지는 나노구조물 또는 나노-바이오 복합체를 만들고자 하는 연구가 전세계적으로 시도되고 있는데 특히 생체재료인 단백질 또는 펩타이드를 활용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 생체내 기본 구성 물질인 단백질을 생체재료로서 활용하기 위한 연구는 세계적으로 단백질 디자인 분야에서 활발히 연구되고 있지만 우리나라에서는 미흡한 수준이다. 또한 단백질과 나노소재와 반응한 나노-바이오 복합체의 나노구조는 분자수준에서만 기능적으로 알려져 있을 뿐 원자수준에서의 연구는 보고된 바가 없다.

   ○ 따라서 정확하게 조직화된 분자구조에서 발생하는 특유의 집합적 특성들을 예측하고 이용하는 것은 새로운 기능을 창출 할 수 있을 뿐만 아니라 원자 수준에서 발생하는 상호작용을 밝혀내는데 있어 매우 중요하다고 할 수 있다.

  2. 발견 원리
   ○ 본 연구는 단백질의 자기조립화 원리를 이용한 단백질 디자인을 통해 플러렌을 규칙적으로 배열할 수 있는 자기조립 단백질을 합성하고 결정화 하는데 성공하였다. 플러렌-단백질 복합체 결정으로 1.67Å의 고해상도 X-선 회절 데이터를 확보하였고 원자 수준에서 단백질-플러렌 복합체의 구조를 세계 최초로 규명하였다.
      * 자기조립(self-assembly) : 각각의  성분들이  외부의 간섭 없이 자발적으로  비공유  결합에  의해  일정한 구조를  형성하는 것

   ○ 연구진은 단일 단백질 결정과 무정형 플러렌이 전기적 절연체인 반면 단백질-플러렌 복합체 결정은 플러렌의 조직화된 정렬로 전기전도성을 가진다는 새로운 특성을 밝혀냈다. 단백질-플러렌 초결정체에서 플러렌 간의 최단 거리는 1.2nm~1.7nm로 정교하게 배열된 격자내에서 플러렌 사이에 전자의 이동이 가능함을 설명해준다.

  3. 연구 성과
   ○ 연구 결과는 대표적 탄소나노소재 플러렌이 자기조립 단백질에 의해 규칙적인 배열이 가능하다는 것을 보여준다. 이는 플러렌과 단백질의 상호작용 메커니즘을 직접적으로 제시한다.

   ○ 또한 본 연구는 생체소재 단백질과 나노소재 플러렌의 분자구조 제어에 대한 새로운 패러다임을 제시하여 단백질 기반 나노소재 개발에 매우 중요한 설계 기법으로 활용될 수 있다.

□ 김용호 교수는 “본 연구는 나노물질인 플러렌을 단백질 디자인을 통해 규칙적으로 정렬하는 첫 번째 모델을 제시하였으며 단백질과 나노물질의 상호작용을 원자수준에서 규명한 것은 단백질-플러렌 복합체 형성의 상호작용 메커니즘을 이해하는데 매우 중요하다”고 의의를 밝히고 “향후 연구를 통해 기존의 물질들과 전혀 다른 새로운 구조나 특성을 나타내는 나노-바이오 신물질 개발에 기여할 것으로 기대된다.”라고 말했다.

□ 주저자인 김국한 박사는 “본 연구는 플러렌을 자기조립방식으로 디자인된 단백질을 통해 세계 최초로 3차원적으로 배열하는데 성공하였고 이는 기존 플러렌의 무작위적 배열을 규칙적으로 정형화된(Ordered) 배열로 유도하고, 규칙적인 배열의 결정성은 새로운 전기전도성 바이오소재 개발의 가능성을 제시하는 결과로 향후 단백질 기반 소재 개발에 매우 중요한 적용기법으로 활용될 것으로 기대된다.”라고 말했다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 펩타이드/단백질 기반 프로그램화된 자기조립 구조체(Programed self-assembly)는 펩타이드/단백질의 본래의 특성을 증진시키거나 새로운 용도의 기능성 물질을 만들기 위해 필수적인 기술로, 각각의 단위체(Building block)들이 자발적으로 비공유 결합을 통해 안정적이고 규칙적인 구조체를 이루는 것이다. 따라서 자기조립을 유도하는 동력(Driving force)을 이해하고 이를 통해 자기조립 구조체를 구현하는 것은 도전적인 과제이다.

  ㅇ 단백질 디자인(Protein design)은 전산모사 단백질 디자인을 통해 나노-바이오 융합기술을 적용하여 초분자체(Supramolecular) 구조를 가지는 단백질-단백질 또는 단백질-나노물질의 상호관계를 이해하는 차세대 융·복합 기술로 현재 신약개발, 의학분야, 바이오센서, 인공촉매 등 다양한 분야에서 주목받고 있는 연구 분야이다. 그러나 성장성과 시장파급력이 큰 프론티어 연구 분야임에도 불구하고 국내에서는 연구가 미비한 실정이다.

  ㅇ 김용호 교수 연구팀은 앞선 선행 연구로, 컴퓨터를 이용한 단백질 디자인을 이용하여 이전에 한 번도 시도되지 않았던, 대표적인 나노재료물질인 탄소나노튜브를 감싸 그 위에서 자기조립을 할 수 있는 단백질들을 만들었다. 이런 단백질들은 나노재료의 자체물성을 변화시키지 않고 생물학적 실험들을 가능케 해주었으며 다음세대의 생체재료 물질로 사용할 수 있는 가능성을 제시하였고 전자소재와 에너지 저장 소재로의 가능성 또한 보여주었다. 이 연구결과는 2011년에 세계적인 과학저널 Science에 발표되었으며, 이 연구는 자연계에 존재하지 않는 단백질을 나노물질위에서 자기조립 하도록 디자인 하는 새로운 시도를 보여주는 결과이다.

  ㅇ 최근에 펩타이드 또는 단백질을 이용한 자기조립체를 구현하는 연구가 각광을 받고 있다. 그러나 나노물질인 탄소나노소재 기반 자가조립체 연구는 적용된 사례가 제한적으로 보고되고 있으며, 단백질 기반 플러렌의 조직화된 구조적인 배열 연구는 전무하다.

  ㅇ 본 연구에서는 단백질 디자인(protein design)이라는 기술과 나노입자 기술을 접목한 나노-바이오 융합기술을 이용하여 대표적 나노물질인 플러렌을 자기조립방식으로 디자인된 단백질을 통해 입체적으로 배열함으로써 기존 플러렌의 무작위적 배열을 규칙적인 배열로 유도하여 새로운 나노물리적 물성 발견의 가능성을 모색하고자 하였다.

 2. 연구내용
  ㅇ 본 연구팀은 디자인된 4분자체를 이루는 코일드-코일 단백질을(COP) 화학적 합성법으로 합성·정제한 뒤 플러렌을 단백질 용액에 분산시켜 COP-플러렌 복합체를 제작하여 결정화에 성공하였다. 결정의 X-선 회절 데이터를 포항가속기를 이용하여 1.67Å 분해능으로 확보한 후 플러렌-단백질 복합체의 고해상도 3차원 구조를 세계 최초로 규명하였다.

  ㅇ 가용화된 플러렌은 COP와 결합함과 동시에 4분자체 단백질 사이의 상호작용을 유도하여 4분자체를 8분자체로 올리고머 상태를 변화시킨다는 것을 크기배제 크로마토그래피와(Size Exclusion Chromatography: SEC)와 초원심 분리법(Analytical ultracentrifugation: AUC)으로 확인하였다. 이 결과는 결정의 격자상에서 COP의 패킹이 플러렌에 의해 변화하였고 두 4분자체의 단백질이 하나의 플러렌과 결합한다는 구조 데이터와 일치하는 것을 보여준다.

  ㅇ 연구진은 COP와 플러렌의 친화도를 분자동력학 시뮬레이션(Molecular dynamics simulations)으로 확인하였다. 시뮬레이션 결과 COP와 플러렌은 수십나노몰 범위에서 해리 상수(Dissociation constant)를 가지며 본 연구진이 고안한 helix-helix motif가 플러렌과 강하게 결합할 수 있는 결합에너지를 제공할 있다는 것을 확인하였다.

  ㅇ 연구진은 COP에 의한 플러렌의 규칙적인 배열 구조가(Ordered structure) 새로운 전기적 특성을 가진다는 것을 전기전도도 실험으로 증명하였다. 배열되지 않은 플러렌 필름, 단일 COP 결정 그리고 결정성 버퍼는 높은 전기 저항을 보여주는 반면 COP-플러렌 복합체 결정은 높은 전기 전도도를 보여주었다. 이는 플러렌의 어셈블리를 통한 규칙적인 배열이 전자 파동의 비편재화를 유도해 전자 이동을 용이하게 해준다는 것을 말한다.  

3. 기대효과
 ㅇ 이 연구에서 세계최초로 규명한 단백질-플러렌 복합체 구조는 단백질과 플러렌의 상호작용 메커니즘을 원자수준에서 제시하였고 분자설계 기반 나노-바이오 소재 개발 등에 광범위하게 사용될 수 있다.

 ㅇ 본 연구의 결과는 단백질 기반 나노소재, 약물전달, 의공학 재료와 나노바이오분야, 생물리학과 관련된 융합연구 분야들에서 국가 경쟁력을 높이는 핵심 기술로 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

 ㅇ 뛰어난 물리적, 전기적 특성을 갖고 있는 나노소재 그래핀, 플러렌, 탄소나노튜브의 새로운 응용 가능성을 보여주는 연구 결과로 현재 플러렌, 그래핀, 탄소나노튜브가 사용되는 다양한 산업 분야에서의 역할이 기대된다.

 ㅇ 펩타이드와  단백질을  포함하는  바이오  기반  재료를  이용한  나노  구조체의  개발은  그 적용  범위가  미생물부터  인간까지  다양한  범위로  적용  가능하며,  특히  다양한  크기의 구조를  정밀하게  만들  수  있어  산업적인  활용도도  높다.  향후,  좀  더  세밀하게  조절 가능한  시스템의  구축  및  다중  자가  조립의  개발을  통해  본래의  독특한  화학적/물리적 특성을  강화시켜  효용성을  증대시키거나  다양한  기능을  갖는  시스템을  구축하면 산업적인  적용  용이성이  커질  것으로  기대한다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

최근 자기조립화 단백질 디자인을 통한 새로운 구조의 물질 개발 연구가 나노-바이오 분야에서 활발하게 진행되고 있다. 단백질 자기조립의 메커니즘을 이해하고 응용하기 위해서 많은 연구자들이 나노물질과 단백질 또는 DNA의 상호작용을 파악하고자 노력해왔다. 탄소나노튜브 위에 자기조립화 하는 단백질 연구가 사이언스에 출판된 후 김 교수는 무정형 상태의 플러렌을 단백질을 통해 규칙적으로 배열할 수 있을 것이라는 아이디어를 냈고 단백질 결정을 통해 결정의 대칭적 격자안에서 플러렌의 배열이 가능하고 이를 결정화 하면 결정 구조로 확인할 수 있을 것이라는 호기심에 연구가 시작되었다. 탄소로만 이루어져 소수성 성질을 갖는 플러렌이 단백질의 티로신, 페닐알라닌, 트립토판 같은 아로마틱 잔기들 사이에 결합할 수 있을 것이라고 예상하고 플러렌과 결합하는 단백질의 어셈블리 연구를 시도하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

단백질과 자기조립에 대한 연구는 많이 진행되었지만 대부분의 연구에서 단백질 사이의 인터페이스만을 고려하여 새로운 구조를 만들고 단백질 결정 구조를 통해 증명하는 것에 집중하고 있는 반면, 단백질과 나노물질 복합체를 구조적으로 관찰하는 것에 대해서는 어려움 때문에 관심이 적었다. 김 교수와 김 박사는 플러렌과 결합할 수 있는 단백질을 고안하고자 단백질의 서열과 결정성 격자를 조사하였고 플러렌과 자기조립화 할 수 있는 단백질을 합성하고자 노력하였다. 초음파를 통해 플러렌을 단백질 용액에 분산시키는데 성공하였고 이러한 노력 끝에 플러렌과 결합하는 단백질 결정을 만들어 플러렌을 3차원적으로 배열하는데 성공하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

이번 연구에서 가장 어려웠던 점은 선행 연구가 없었다는 점과 플러렌의 물질 특성상 수용화가 어렵다는 점이었다. 실험 초기에는 bare 플러렌을 사용하였는데 낮은 수용성으로 단백질에 플러렌을 가용화 시키는데 어려움이 있었고 결정도 생기지 않았다. 이를 해결하고자 플러렌의 가용성을 향상시킨 플러렌 유도체 사용을 시도하였다. 그 결과 플러렌이 단백질에 더 잘 가용화 되었고 결국 플러렌-단백질 복합체 결정도 얻을 수 있었다. 또한 분광학적 기법과 생물리학적 기법으로 단백질과 플러렌의 결합에 의한 결정 생성 원인을 확인 할 수 있었고 본 연구의 결과로 권위 있는 Nature Publishing Group (NPG)에서 출판하는 Nature communications에 출판될 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이번 성과는 기존의 단백질 자기조립 연구와는 다르게, 무정형 플러렌을 단백질을 통해 규칙적으로 배열했다는 것이다. 특히 본 연구는 단백질 디자인을 통한 플러렌-단백질 복합체의 구조 규명으로 생체물질인 단백질을 이용하여 플러렌을 3차원적으로 제어할 수 있다는 것을 처음으로 제시하였고 플러렌과 단백질의 상호작용을 원자수준에서 구조적으로 처음 보고한 세계 최초의 연구 결과이다. 이 연구에서 제시된 결과는 향후 플러렌을 이용한 생체친화적 소재 개발에 매우 중요한 설계기법으로 기여할 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

전산모사 단백질 디자인을 통해 초분자체 구조를 가지는 단백질-단백질 또는 단백질-나노물질의 상호관계를 이해하는 것은 중요한 도전과제이다. 이번 연구 결과를 통해 플러렌과 단백질이 어떻게 상호작용 하는지를 알 수 있었다. 이번 연구를 확장하여 자연광합성을 생체모방한 단백질을 디자인하여 플러렌, 포피린 등 전도성 고분자와의 화학 결합을 통해 단백질과 태양전지 감응 구조체를 분자수준에서 정렬하고자 한다. 또한 그 구조를 원자수준에서 규명하여 광감응 시스템의 원자수준 정밀구조와 상호 인지 메커니즘을 밝히고 궁극적으로는 분자수준에서 제어된 배열구조와 양자역학적 에너지 전이의 상관관계를 규명하고자 한다.

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