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 비천연아미노산을 이용한 새로운 단백질공학 기술_기초연구본부 선정 R&D 이슈 연구동향

◈ 목차

⑴ 비천연아미노산을 이용한 단백질공학이란?
⑵ 왜 중요한가?
⑶ 최근에 많은 연구가 이루어지고 있나?
⑷ 최근 국내외 연구 동향은?
⑸ 기초연구사업 지원 현황은?
⑹ 향후 기초연구사업에서 어떤 연구들이 필요한가?

◈본문

1. 비천연아미노산을 이용한 단백질공학이란?

ㅇ 20개의 자연계에 존재하는 아미노산으로 구성된 단백질은 생물의 세포 안에서 합성되어 생체 내에서 이루어지는 거의 모든 생화학 반응들을 촉진시키는 촉매제로서 생명체의 핵심 구성물질임. 비천연단백질공학 기술은 20개의 표준아미노산의 제한된 화학구조를 뛰어넘은 새로운 기능기을 갖는 비천연아미노산을 이용하여 단백질을 재설계하고 기술적 관점에서 새로운 공학 학문을 말함.

ㅇ 최근에 유전자 코드를 재프로그래밍하는 기술이 크게 발전하여, 20개의 표준아미노산에 제한되지 않고, 미생물 자체를 이용하여 실험실에서 다양한 비천연아미노산(표준아미노산이 아닌 모든 아미노산)을 단백질 내에 도입하는 기술을 발전시켜 왔음. 이는 크게 잔기-특이적(residue-specific) 도입법과 위치 특이적(site-specific) 도입법이 있음.

▪전기-특이적 도입법

- “유전자 코드 엔지니어링”또는 “선택적 압력을 통한 도입(selective pressure incorporation)” 라고도 함. 표준아미노산을 지정하는 센스 코돈에 비천연아미노산을 도입하는 방법으로, 예를 들어 타이로신 잔기 대신에 타이로신과 구조적으로 유사한 비천연아미노산을 도입하는 것임. 이 방법은 여러 위치에 비천연아미노산을 단백질 내에 도입할 수 있는 장점이 있음.

- 해당 표준아미노산이 제거된 배지에 비천연아미노산을 넣고, 단백질의 발현을 유도한 결과, 해당 표준아미노산 대신 비천연아미노산을 포함하는 단백질이 발현됨. 영양요구 균주가 필요하며, 상대적으로 비천연아미노산의 단백질내 도입이 용이함.

▪위치-특이적 도입법

- “유전자코드 확장” 또는 “종결 코돈 중지(Stop codon suppression)”라고도 함. 도입하고자 하는 위치에 코돈을 인위적으로 종결 코돈으로 변경하고, 해당 위치에 비천연아미노산을 도입하는 방법임. 이를 위해서는 비천연아미노산에 활성이 있는 tRNA 합성효소와 종결코돈을 인식할 수 있는 서프레서 tRNA가 필요함. 최종적으로 비천연아미노산과 결합된 서프레서

tRNA는 리보솜으로 운반되고, 코돈-안티코돈 상호작용에 의해서 위치 특이적으로 단백질 내에 비천연아미노산이 도입됨.

- 원하는 위치에 선택적으로 새로운 기능기를 갖는 비천연아미노산을 도입함으로 해서 단백질의 3차구조에 미치는 영향을 최소화되며, 위치선택적으로 도입된 비천연아미노산의 기능기는 화학적 반응 도구로 사용됨.

2. 왜 중요한가?

ㅇ 환경 친화적인 생촉매 반응을 이용하여 기존 유기화학반응 대체하거나 기존 화학반응으로 불가능한 새로운 반응공정을 개발하는 것은 생물공학의 핵심분야 중 하나임. 자연계에 존재하는 효소의 개량 방법인 방향성진화(2018 노벨 화학상 수상)와 이성적 디자인을 통한 효소개량의 최근 놀라운 성공에도 불구하고, 근본적으로 그 최적화는 제한된 기능기를 갖는 20개의 표준아미노산으로 제한됨.

ㅇ 지난 20년 동안 유전자 코드를 재프로그래밍하는 기술이 크게 발전하여 이제 수백 개의 비천연아미노산을 단백질에 고효율로 도입할 수 있게 되었음. 또한 비천연아미노산에 새로운 유전자 코드를 부여함으로써, 20개의 표준아미노산으로 제한된 생체 시스템을 벗어나 21개 또는 그 이상의 아미노산으로 구성된 단백질로 이루어진 생체 시스템을 구축할 수 있음.

...................(계속)

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