본문으로 바로가기

기술동향

단백질의 비정상적 빠른 구조변화를 계측하는 새로운 수법 개발

  • 등록일2015-07-13
  • 조회수6304
  • 분류기술동향
  • 자료발간일
    2015-07-10
  • 출처
    KISTI 미리안
  • 원문링크
  • 키워드
    #단백질#아미노산 사슬#천연구조#단백질접힘#단백질 계측법

출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』


단백질의 비정상적 빠른 구조변화를 계측하는 새로운 수법 개발




kylee_img1_1436364170030.jpg

[그림 1] 2D-FLCS에서 시토크롬c의 구조계측

일본 이화학연구소(RIKEN) 연구진은 단백질 분자의 비정상적인 빠른 구조변화를 추적하는 새로운 계측법을 개발하였다.

단백질은 20종의 아미노산 사슬로 이루어진 분자로, 생화학반응을 촉매하는 효소로 작용하거나 특정분자를 인식하여 결합하는 등의 여러 기능을 가지고 있다. 단백질 분자는 특정 입체구조(천연구조)를 가지는 것으로 그 기능을 발휘하지만, 아미노산 사슬이 어떻게 접혀 천연구조가 되는지 아직 밝혀지지 않았다. 이를 단백질 접힘 문제라고 부르며, 단백질 분자의 구조변화를 관찰할 수 있다면 접히는 메커니즘을 이해할 수 있을 것이라고 기대된다. 또한 천연구조를 가진 단백질은 그 구조가 보다 유연하게 변화하면서 타기이 되는 분자와 결합하는(분자인식) 등의 기능을 발현하기 때문에 분자인식에 관련되어서도 단백질의 구조변화를 이해하는 것은 매우 중요하다. 

이러한 배경 하에 1990년대부터 형광색소로 표식한 분자를 현미경 하에서 한 개, 한 개 구별하여 관찰하면서 1분자 계측 실험이 수행되었다. 또한 같은 시기에 단백질 분자가 자발적으로 구조 변화되는 모습을 연구하기 위한 1분자 계측 및 형광공명 에너지이동(FRET)을 조합한 1분자 FRET 실험이 시작되어, 서브밀리미터초 정도의 시간 분해능에서 그 구조변화를 추적하는 것이 가능하게 되었다. 하지만 서브밀리미터초의 시간 분해능은 수 마이크로초 동안 일어나는 분자 레벨의 구조변화를 이해하기는 불충분하였다. 이 시간분해능의 한계는 형광색소가 단위시간당 방출하는 형광 광자수에는 원칙적으로 상한선이 있기 때문에 현존하는 한 분자 FRET 수법의 연장으로 시가분해능을 크게 개선하는 데에는 어려움이 있었다. 연구진은 단백질 한 분자 FRET의 시간 분해능을 비약적으로 향상시킬 목적으로, 새로운 원리를 기초로 한 계측법을 개발하였다.

연구팀은 형광색소 간 거리 변화를 FRET 효율이 높은 시간 분해능으로 평가하기 위해, 형광색소가 레이저광을 흡수하고 형광광자를 방출하기까지의 시간(형광수명)에 주목하였다. 지금까지 FRET 효율을 평가하기 위해서는 2종류의 형광색소가 발생시키는 형광광자수의 비를 이용하였지만, 형광수명을 사용하면 필요한 광자수가 적기 때문에 시간분해능을 향상시킬 수 있다. 

형광수명을 이용한 1분자 FRET 실험을 수행하기 위해, 형광표식한 단백질 분자에 레이저 펄스를 조사하고, 이후 형광광자가 분자에서 방출되어 검출기에 도달하는 시간을 정밀하게 측정하였다. 이를 계속적으로 반복하여, 단백질 분자의 구조변화에 따른 형광수명의 변화를 측정하였다. 형광수명의 변화를 가시화하기 위해, 2차원 형광수명광 분광법(2D-FLCS)이라는 해석법을 이용하였다. 2D-FLCS를 이용하여 어느 순간 특정한 구조를 가진 단백질 분자가 일정한 시간이 경과한 후 다른 구조로 변화하는 모습을 형광수명 변화를 통해 매핑하였다. ([그림 1]) 이를 다른 시간간격의 맵과 비교하는 것으로 구조변화의 시간 스케일을 확인할 수 있었다.

2D-FLCS를 사용하여 시토크롬c라고 불리는 단백질을 조사하여, 5가지 다른 구조를 발견하였다. ([그림 1]) 실험은 pH 3.5에서 수행되었지만, 시토크론c의 천연구조 산성조건 하에서 조금씩 파괴되어(변성되어), 그 조건 하에서는 천연구조와 변성된 구조 그리고 이 중간의 상태가 공존하고 있었다. 관측한 5가지 구조([그림 1] 좌측 하단: 2차원 맵에 대각선상의 5개의 피크)는 이에 대응한다. 흥미롭게도 0.2-4 마이크로초 시간간격의 맵과, 8~12 마이크로초 시간간격의 맵을 비교하면, 후자에 천연구조로 표시된 피크와 중간상태로 표시된 피크 사이에 구조변화를 나타내는 피크가 존재하는 것을 확인하였다. 즉, 수 마이크로초의 시간 스케일에서의 구조를 파악할 수 있게 된 것이다. 이 피크와 시간 간격의 변화에서 구조변화 시간은 약 5마이크로초라는 것을 확인할 수 있었다. 또한 다른 피크도 해석한 결과, 시트크롬c의 천연구조의 구조변화 과정을 마이크로 초 이하에서 밀리초 이상까지의 폭넓은 시간 스케일에서 복수의 중간상태를 경유하여 일어난다는 것을 확인하였다. 이는 기존 1분자 FRET를 대폭 뛰어넘는 2D-FLCS를 높은 시간분해능으로 얻을 수 있는 효과이다.

접힘이 빠른 단백질 구조변화는 수 마이크로초 내에 일어난다고 알려져 있다. 현존하는 1분자 FRET의 계측에서는 이를 확인할 수 없었지만, 2D-FLCS를 이용하는 것으로 마이크로초 시간 영역에서 구조변화를 확인할 수 있었다. 이에 따라 수퍼컴퓨터 등의 최신식 계산기를 이용하여 단백질 분자 시뮬레이션과 직접 비교가능한 실험데이터를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 향후 이론계측과 실험 연계를 진행시키는 것으로 단백질 접힘 과정에 관한 상세한 효과를 해명할 수 있을 것으로 기대된다. 

본 연구에 대한 상세한 결과는 Nature Communications지에 게재된 논문 "Microsecond protein dynamics observed at the single-molecule level"을 통해 확인할 수 있다. 

 

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.

 

 

 

 

목록 스크랩
관련정보

지식

동향

발간물

자료 추천하기

받는 사람 이메일
@
메일 내용