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연 구 결 과  개 요

논문명

MMOD-induced structural changes of hydroxylase in soluble methane monooyxgenase (Science Advances (2019), 5 (10), eaax0059

저  자

이승재 교수(교신저자/전북대학교), 조운수 교수(교신저자/미시건 주립대학교), 김한성 박사(제1저자/미시건 주립대학교, 현 부경대학교) 등

1. 연구의 필요성

 ○ 온실가스의 대부분은 이산화탄소이나 상대적으로 낮은 비율의 메탄 가스가 약 33배 더 강력한 온실가스 효과를 보인다. 최근 유엔 정부 간 기후협약패널(IPCC) 등의 온난화와 관련한 메탄에 대한 규제는 더욱 엄격해지고 있다. 특히 벼농사 지역에서의 메탄 저감이 절실히 요구된다. 

 ○ 메탄 가스는 셰일가스의 주성분으로 수송에 용이한 메탄올로의 전환이 중요 이슈로 부각된 지 오래이다. 상업적으로 메탄의 메탄올 전환은 고온/고압 상태 하에서 이뤄지고 있으나 자연계에서는 메탄자화균에 의하여 대사된다.

 ○ 메탄자화균에 대한 효소화학적 연구는 지난 30여 년간 이루어져 왔다. 하지만 중합체 구조가 아직 밝혀지지 않아 다양한 조효소의 결합과 경쟁에 의해 조절되는 기작을 이해하는 데 많은 어려움을 겪고 있다. 

2. 연구내용 

 ○ 메탄 모노옥시게나제의 산화효소(MMOH)는 현재까지도 분자생물학적 기법을 이용한 인위적 발현이 불가능하여 자연균주에서 발현하고 정제에 응용한다. 

 ○ 기존에 생화학적 기작이 잘 알려지지 않은 메탄자화균(Methylosinus sporium 5)을 천연균주에서 성공적으로 발현하였으며, 고순도 효소를 얻어내는데 성공하였다. 

 ○ 산화효소와 저해제의 결정구조(MMOH-MMOD)를 확보하여, X-선 회절 분석으로 효소의 구조를 원자단위로 확인하였다.

 ○ 저해효소 (MMOD)는 먼저 산화효소의 활성부위를 포함하고 있는 4개 헬릭스 다발 (four-helix bundle)의 구조적 변화를 유도한다. 이는 활성부위에서 철(Fe1)과 결합하는 히스티딘 잔기와의 배위결합을 파괴하여 산소분자에 의한 중간체 생성을 억제함을 밝혀내었다. 

 ○ 기존 연구에서 기질의 이동경로로 알려진 공동 (cavity)은 상대적으로 작은 산소분자와 메탄의 이동통로로만 다루어졌다. 하지만 분석결과 6개의 탄소를 포함한 1,6-헥산다이올 (1,6-hexanediol)이 공동에서 발견되어 상대적으로 큰 기질과 생성물의 이동이 가능한 경로임을 제시하였다. 

 ○ 서로 다른 조효소인 MMOB와 저해제인 MMOD는 서로 경쟁하는데, 조효소와의 결합이 상대적으로 강하다는 것을 확인하였다. 이는 기질을 필요로 하지 않는 특이적 환경에서만 MMOD가 결합하여 산소분자 활성에 의한 C-H 결합 활성을 저해함을 확인하였다. 

3. 연구성과/기대효과

 ○ 자연계 내 미생물의 활성부위를 이해하고 촉매반응을 통해 생성물을 얻기 위한 노력이 계속되고 있다. 현재까지 메탄을 메탄올로 변화시키는 기작에 대한 연구는 계속 진행 중이며, 메탄자화균의 활성부위에 대한 조절 기작을 이해할 수 있었다. 

 ○ 촉진효소와 저해효소는 산화효소의 같은 자리에 결합하는 경쟁관계임을 확인하였다. 저해제에 의해 4개 헬릭스 다발은 구조적 변화를 일으키며, 이는 활성 부위에 존재하는 이철이온의 배위 결합을 변화시킨다. 현재까지 이러한 저해제와의 중합체 배위결합은 최초 보고된 것으로, 자연계 내의 반응 조절에 대한 이해를 촉진한다. 

 ○ 저해제는 최종적으로 이철이온의 구조적 변화를 이끌어 내어, 산소 분자에 의한 중간체 형성에 관여한다. 

 ○ 메탄 모노옥시게나제의 활성 부위를 묘사하여 촉매 활성을 이루려는 촉매 디자인에 중요 시사점을 제시하였다. 

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

메탄 산화 효소는 금속 이온이 포함되어 있으며, 가스를 기질로 사용하고 전자전달 관련 촉매 회로도를 포함하고 있어, 생화학적 연구가 매우 난해하다. C1 가스 리파이너리 사업단이 출범하면서 관련 연구의 중요성을 느끼고 본격적으로 메탄 모노옥시게나제 연구에 참여하게 되었다. 탄소 배출권 및 셰일가스의 대부분을 차지하는 C1 가스의 생화학적 반응에 대한 연구는 학문적인 중요성은 물론 미래 환경 및 에너지 측면에서 지속적으로 이뤄져야 한다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

기존 구조 연구는 각각의 효소에 대한 단편적인 지식만을 제공할 뿐 여타의 보조효소들의 기능에 대해 설명하지 못해 미생물 내에 존재하는 생화학 촉매에 대해 알 수 없었다. 본 연구를 통해 메탄가스, 산소분자, 양성자를 기질로 삼는 산화효소의 활성부위 정보를 얻을 수 있었다. 이는 저해효소 및 촉진효소의 결합에 따른 구조적 변화를 통해 단백질의 기능과 반응 기작을 설명할 수 있음을 시사한다. 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

생화학적 방법을 통해 메탄을 메탄올로 전환하려는 노력은 큰 실효를 거두지 못하고 있다. 하지만 보다 넓게 생각할 때 관련 연구는 효소 모사를 통한 메탄의 생화학적 변환과 지구 온난화, 바이오 에너지 측면에서 지속될 필요가 있다. 온난화 지수가 이산화탄소보다 무려 30배나 높은 메탄 가스의 전환과 관련하여 탄소 원자 한 개를 포함하고 있는 분자의 C-H 활성이 연구의 관건이다. 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

메탄 모노옥시게나제는 아직도 알려지지 않은 생화학적 기작이 남아 있다. 향후 다른 조효소들과의 결합에 대한 연구로, 촉매 회로도를 완성하여 학문적 기여에 이바지 하고 싶다.

...................(계속)

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