바이오인

핵심내용

-신약개발 및 의학 치료 등 다양한 분야에 적용 가능성 제시-

 □ IBS(기초과학연구원·원장 오세정)는 나노물질 및 화학반응연구단(단장 유룡) 그룹리더팀(KAIST 화학과 이효철 교수, 정양욱 박사)이 단백질 내 화학반응의 전이상태와 그 반응경로를 3차원 구조로 실시간 규명하고 제어하는데 성공했다고 밝혔다.

 ◦ 이번 연구 결과는 세계적인 권위 학술지인 네이처 케미스트리誌(Nature Chemistry) 2월 4일자 온라인 판에 게재됐다.(교신저자 이효철 교수, 제1저자 정양욱 박사)

□ 우리 눈은 사물을 약 75 마이크로미터 크기까지 식별가능하고 사물의 움직임은 약 1/10초까지 구별할 수 있다고 한다. 총알의 움직임 같이 눈으로 볼 수 없는 빠른 움직임을 보려면 초고속 카메라와 같은 장비를 이용하면 된다. 하지만 총알의 움직임 보다 훨씬 빠른 분자의 움직임을 보려면 다른 방법을 사용해야 한다.

 ◦ 그 동안 과학자들은 레이저 기술을 이용해 분자의 움직임을 연구해 왔다. 특히 눈의 망막 세포에서 빛을 인지하기 위해 일어나는 분자의 움직임 같이 빛에 의해서 일어나는 분자의 움직임에 대해서 이러한 기술을 이용해 연구해왔다.

 ◦ 하지만 레이저 기술만으로는 분자의 움직임에 대한 정확한 정보를 얻을 수 없다. 분자의 위치를 정확하게 알아내기 위해서는 엑스선 회절법이나 핵자기공명법이 이용되는데 이런 방법들은 분자의 움직임 같은 빠른 움직임을 관찰할 수 없다.

 ◦ 레이저 기술과 엑스선 회절법 기술을 결합한 시간분해 엑스선 회절법을 이용하면 빠른 분자의 움직임을 정확한 위치 정보와 함께 측정할 수 있다.

□ 이효철 그룹리더팀은 이와 같은 시간 분해 엑스선 회절법을 이용해 광이성질체화(photo-isomerization)라는 단백질 내 화학반응 중 전이상태와 그 반응 경로를 원자 수준의 3차원 구조로 밝혀냈다.

 ◦ 광이성질체화 반응은 눈의 망막에서 일어나는 반응과 비슷한 반응으로 빛을 흡수한 특정 분자의 구조가 변화하는 반응이다.

 ◦ 광이성질체화 반응을 포함한 모든 화학 반응은 진행 중 반응 물질의 구조가 변화되는데 이 과정 중 가장 불안정한 상태를 전이상태라고 한다. 이 전이 상태는 1000조분의 1초(10-15초, 펨토초)란 아주 짧은 시간동안 진행되기 때문에 지금까지 이를 3차원 구조로 관찰하는 것은 불가능에 가까웠다.

 ◦ 하지만 이 그룹리더팀은 단백질 내부에서는 전이상태 생성속도가 펨토초에서 100억분의 1초 (10-10초, 피코초)로 늦어져 비교적 안정화되는 점에 착안해, 시간 분해 엑스선 회절법을 이용해 단백질 내부에서 전이상태를 관찰하고 규명했다.

 ◦ 이 연구성과는 화학 반응 전이상태 관찰을 통해 전이상태를 조작할 수 있는 기반을 마련한 것이며 이는 화학반응 제어를 통한 신약 개발 및 의학 치료 등 다양한 분야에 적용될 것으로 예상된다.

□ 특히 연구진은 광이성질화 반응 경로가 단일경로였던 기존 연구결과와 다르게, 두 종류의 다른 반응 경로가 경쟁적으로 존재함을 최초로 확인했다.

 ◦ 단백질 내부에서는 다른 원자 간의 상호작용으로 인해 원자가 자신의 움직임을 최소화하는 2가지 반응경로로 진행하고 있음을 확인했다.

 ◦ 반응 모습이 자전거 페달을 돌리는 것과 비슷한 자전거페달(bicycle-pedal) 경로와 훌라 춤을 추는 모양과 유사한 훌라-트위스트(hula-twist) 경로 등 2가지이다.

 ◦ 이는 한산한 지하철 내부에서 사람들은 직선으로 이동하지만 꽉 찬 출근길 지하철에서는 공간 여유가 있는 곳으로 이리저리 움직이는 것처럼 원자도 가장 짧은 반응경로를 택해 화학반응을 일으키고 있음이 확인된 것이다.

 ◦ 이렇게 규명된 반응 경로를 바탕으로, 돌연변이를 이용해 전이상태의 안정성을 변화시켜 반응 경로를 제어할 수 있었던 점도 이번 연구의 또 다른 성과이다.

 ◦ 이효철 그룹리더는 “앞으로 차세대 가속기인 엑스선 자유전자 레이저를 이용하면 좀 더 빠른 시간대의 데이터를 얻을 수 있어 전이상태 중의 구조 뿐 아니라 나아가 전이상태 이전의 구조도 규명해 낼 수 있을 것”이라고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

□ 연구팀은 단백질 결정내의 광이성질화 반응의 구조변화를 피코초 시간분해능의 엑스선 회절이미지를 얻어 이를 분석하여 결과를 도출했다.

 ◦ 시분해 결정학으로 현재 가용한 가장 빠른 시간분해능인 피코초부터 수 마이크로초까지의 광반응 황단백질(Photoactive Yellow Protein)의 결정에 대한 시간 종속적(time-dependent) 회절이미지를 얻었다.

 ◦ 회절이미지는 다시 전자 밀도 지도(electron density map)로 변환한다. 이렇게 얻어진 시간 종속적인 전자 밀도 지도에서 행렬 기법(Singular Value Decomposition; SVD)을 통해 시간 독립적인(time-independent) 전자 밀도 지도를 도출한 후 각 전자 밀도 지도에 해당하는 중간 구조를 얻어냈다. 이를 기반으로 광이성질화 반응 경로를 규명했다.

□ 기존의 연구 결과는 시간 분해능과 공간 분해능이 부족해 피코초대의 광이성질화 반응 중 구조변화를 간접적으로 확인할 수밖에 없었다.

□ 이에 반해 본 연구팀에서는 피코초 시간 분해능과 결정으로 얻은 3차원 공간 분해능을 통해 광이성질화 반응의 중간 구조 및 반응 경로를 확인했다.

 ◦ 피코초대에 존재하는 첫 번째 중간 구조(IT)는 이성질화 반응의 중간 형태를 띄어서 전이상태로 간주된다. 일반적으로 전이상태는 불안정하지만 단백질 내에서는 수소결합같은 상호 작용이 존재해서 이러한 전이상태를 관찰할 수 있을 만큼 안정화되어 있다.

 ◦ 나노초대와 마이크로초대에 존재하는 두 번째, 세 번째 중간구조를 통해 광이성질화 반응 경로가 두 개의 다른 반응경로(자전거 페달 경로; bicycle pedal pathway와 훌라-트위스트 경로; hula-twist pathway)로 이루어졌음을 규명했다. 두 개의 반응 경로에서는 단백질 내의 원자간 상호 작용으로 인해 일반적인 이성질화 반응과 달리 공간 효율적인 움직임을 통해 이성질화가 진행된다.

□ 돌연변이를 통해 전이상태 안정성에 관여하는 화학결합(수소결합)을 약화시켜 두 개의 반응 경로중 훌라-트위스트 경로만 존재할 수 있도록 제어할 수 있었다.

□ 앞으로 차세대 가속기인 엑스선 자유전자 레이저를 통해 더 빠른 시간 분해능을 가지고 전이상태 이전의 구조도 규명할 수 있을 것이다. 이러한 화학반응의 초기 변화의 정확한 이해는 화학반응의 제어는 물론 치료, 신약 개발에 필요한 기초를 마련한 것으로 기대된다.

그 림 설 명

(그림1) 광반응 황단백질의 광이성질체화 반응 중 구조변화를 개념적으로 표현한 그림. 단백질 내에서 빛을 받은 분자가 구조변화를 일으킬 때에 두 갈래의 경로로 갈라짐을 발견했다. 한 경로는 자전거 페달을 돌리는 것과 흡사하고 다른 경로는 훌라 춤을 추는 모션과 비슷하다.

(그림2) 광반응 황단백질의 광이성질화 반응 중 중간구조를 나타낸 그림. a~c는 단백질 내 광이성질화 반응중 4개의 중간구조(IT, ICT, pR1, pR2)가 존재함을 나타내고 d~e는 돌연변이를 통해 전이상태의 안정성을 변화시키면 2개의 중간구조(IT, pR2)만이 존재함을 보여준다.

용 어 설 명

□ 전이상태
  화학반응의 초기 상태와 최종 상태 중간에 존재하는 상태로 가장 불안전한 상태. 불안정하므로 일반적으로 극히 짧은 시간에만 존재하게 된다. 예를 들어 추에 달린 공이 진동을 할 때, 양 끝 지점에서의 공의 모양(화학반응의 초기 상태, 최종 상태)은 확실히 볼 수 있지만 공이 최저점을 지나는 시간은 매우 짧아서 최저점에서의 공 모양(전이상태)을 관찰하기 힘든 것과 같다.

□ 이성질체
  분자식은 같으나 구조나 배열이 다른 분자들로 물리적 화학적 성질이 다르다.

□ 이성질체화 반응
  분자식을 바꾸지 않고 화학구조나 배열을 바꾸는 반응.

□ 광이성질체화(photo-isomerization) 반응
  분자가 빛에너지를 흡수하여 이성질체화를 일으키는 반응

□ 자전거페달(bicycle-pedal) 경로와 훌라-트위스트(hula-twist) 경로
  움직일 공간이 제약된 조건에서 이성질체화 반응이 일어날 경우 일반적인 조건에서와 달리 공간 효율적인 구조 변화가 일어난다. 이것은 한산한 지하철 내부에서 사람들은 직선으로 이동하지만 꽉 찬 출근길 지하철에서는 공간 여유가 있는 곳으로 이리저리 움직이는 것과 비슷한 이치이다. 자전거페달 경로는 자전거 페달이 돌아가듯 두 개의 인접한 이중결합이 위치가 변하면서 이성질체화 반응이 일어나는 경로이다. 훌라-트위스트 경로는 훌라춤을 출 때 상반신과 하반신은 고정된 채 허리만 움직이듯이 분자의 다른 부분은 고정된 채 하나의 이중결합만이 회전하면서 이성질체화 반응이 일어나는 경로이다.

□ 엑스선 자유전자 레이저 (X-ray Free Electron Laser)
  현재의 3세대 방사광의 다음 세대 엑스선 광원으로 현재보다 훨씬 더 짧고 강력한 엑스선 펄스를 제공할 수 있다. 현재 포항가속기에서도 건설 중이다.