바이오인

핵심내용

- 케미컬커뮤니케이션誌 표지 논문, “막단백질 연구용 양쪽성 물질 GNG 개발”

 - 한양대 채필석 교수, ’10년 MNG, ’12년 GDN에 이어 3번째 성과

 □ 막단백질*은 물질 수송이나 외부신호 감지 등 세포의 관문으로서 중요한 생리기능을 담당하고 있어 신약개발의 주요한 표적이 되고 있다. 

 * 막단백질(membrane protein) : 세포표면의 세포막에 끼어있는 단백질로 세포의 성장과 분화에 관여하여 암이나 뇌질환 등 다양한 질병과의 연관성이 보고됨. 세포막에서 추출하기가 어렵고 세포내에 존재하는 수용성 단백질들과 달리 소수성 부분을 가져 추출 후 쉽게 변성되어 단백질 구조분석에 있어 고난이도 과제로 꼽힘.

 ○ 신약개발을 위해 여러 질병과 관련된 막단백질의 3차원 구조를 규명하는 연구들이 진행되고 있는데, 이를 위해서는 세포막에서 떼어낸 막단백질을 시험관에서 결정화시키는 과정이 필수적이다. 

   - 이 과정을 쉽게 할 수 있도록 결정화 과정*에서 막단백질이 원래 구조를 유지하도록 안정화시키는 양쪽성 화합물**을 국내 연구팀이 개발해냈다.

  * 결정화 과정(crystallization) : NMR이나 X선을 이용해 단백질의 구조를 보기 위해 순수한 단백질 결정이 필요. 세포로부터 분리정제한 단백질 용액에 염농도와 온도조건 등을 맞춘 저장 용액을 섞고 오랜 시간 천천히 증발을 유도하여 단백질의 농도를 증가시킴으로써 순수한 단백질 결정을 얻는 과정. 
 ** 양쪽성 화합물(amphipathic compound) : 물과 섞이기 쉬운 친수성 부분과 섞이기 어려운 소수성 부분을 분자 내에 동시에 가지고 있는 화합물, 세포막을 구성하고 있는 인지질이 대표적인 양쪽성 화합물

□ 한양대학교 생명나노공학과 채필석 교수가 주도적으로 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터지원(ERC) 및 일반연구자지원(신진_장비) 사업의 지원을 받았으며 연구결과는 케미컬 커뮤니케이션誌(Chemical Communications) 2월 22일자 온라인판에 게재되었으며 3월 21일자 표지논문으로 소개된다.

 ○ 한편, 이번 연구결과는 채 교수의 박사후연구원 지도교수 사무엘 겔만(Samuel Gellman)교수와 2012년 노벨화학상 수상자 브라이언 코빌카(Brian Kobilka)교수 등이 함께 참여한 국제 공동연구이다.(논문명 : Glucose-Neopentyl Glycol (GNG) amphiphiles for membrane protein study)

□ 막단백질은 수만 종에 이르지만 구조가 알려진 것은 수백 개에 불과하다. 구조분석을 위해 수용액에 두면 쉽게 변성되거나 물과 섞이지 않으려는 소수성 부분끼리 뭉쳐 원래 구조를 잃고 응집해 버리기 때문이다.

 ○ 따라서, 친수성과 소수성을 동시에 지녀 세포막을 구성하는 인지질 이중막*처럼 막단백질을 감싸주는 양쪽성 화합물의 개발연구들이 주목받고 있다. 

 * 인지질 이중막 : 지질이 서로 맞닿은 이중층 구조로 된 세포막을 지칭, 지질은 소수성의 탄화수소 사슬과 인산 등으로 된 친수성 부위가 동시에 존재하는 대표적 양쪽성 물질

 ○ 채필석 교수 연구팀은 2010년에 낮은 농도에서도 막단백질의 응집을 효과적으로 저해하는 양쪽성물질인 MNG(maltose-neopentyl glycol)를 개발하여 민간에 기술 이전한 실적이 있으며, 2012년에는 막단백질의 구조 안정화에 탁월한 특성을 가진 GDN(gluco-diosgenin)을 개발하여, 막단백질 관련 연구를 진행하는 연구자들에게 호응을 받기도 했다.

 ○ 그러나, 기존에 개발한 양쪽성 물질 MNG와 GDN은 그 탁월한 특성에도 불구하고 막단백질과 다소 큰 복합체를 형성하여 단백질 결정화를 방해하는 한계가 있었다.

□ 연구팀은 막단백질을 감싼 복합체의 크기를 보다 작게 만들면서 동시에 막단백질의 안정화 성능은 개선할 수 있는 양쪽성 물질의 개발 연구에 착수하였다.

 ○ 연구팀은 세포막 단백질과 결합했을 때 작은 복합체를 형성할 수 있도록 기존 MNG에서 말토즈(maltose) 대신 크기가 작은 글루코즈(glucose)와 그와 조화를 이루는 작은 소수성기를 도입하는 형태로 분자구조를 설계, GNG(glucose-neopentyl glycol) 4종을 합성해냈다.

 ○ 이 분자를 사용하면 막단백질의 결정화가 진행되는 일주일에서 한달 동안 막단백질의 본래 구조가 유지되어 단백질 구조 분석이 매우 용이해질 것이라는 설명이다.

   - 실제로 핀란드 연구자가 연구팀이 개발한 GNG를 사용하여 나트륨 수송 막단백질의 구조를 밝혀 사이언스지에 게재*하는 등 동 연구 성과는 관련 분야 연구개발에 그 효용이 매우 크다.

 * 논문명 : The Structure and Catalytic Cycle of a Sodium-Pumping Pyrophosphatase

 ○ 한편 연구팀이 개발한 양쪽성 물질 GNG 가운데 3종은 미국 바이오기업 Affymetrix에 의해 상용화되었으며, 이를 통해 많은 연구자들이 이 물질을 보다 쉽게 얻어 막단백질 구조규명에 관한 연구를 보다 쉽게 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 채 교수는 “막단백질의 구조 연구에 공헌할 수 있는 새로운 양쪽성 화합물을 개발하면 기존 물질로 불가능했던 막단백질의 구조를 규명할 수 있고 나아가 다수의 막단백질 구조규명에 활용될 수 있어 그 파급효과가 매우 크다”고 연구의의를 밝혔으며,

 ○ “앞으로도 막단백질 분야 연구개발을 계속 진행하여 국내외 신약개발 연구에 큰 도움이 되고 싶다”고 말했다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

1. 배경
  세포막에 존재하는 막단백질은 물질수송 및 신호전달과 같은 중요한 생리적 현상을 관장한다. 인간의 유전자의 30% 정도가 이와 같은 생체고분자를 코딩하고 있다고 알려져 있고 현재 개발되고 있는 신약의 절반이상이 이를 타겟으로 하고 있다. 이와 같은 중요성에도 불구하고 현재까지 알려진 막단백질 구조의 숫자(수백개)는 용해성 단백질의 그것(수만개)에 비해 턱없이 작다. 이는 막단백질은 친수성과 소수성기를 동시에 가지고 있는 양쪽성의 성질을 지니고 있어 수용액에서 쉽게 변성(denaturation)되거나 응집(aggregation)되는 경향이 있어 분석 및 연구가 매우 어렵기 때문이다.

  수용액에서 막단백질의 구조가 안정화되려면 detergent라 불리우는 양쪽성 물질의 필수적으로 사용되어야 한다. 이 물질은 막단백질의 소수성 부분을 감싸서 그 표면을 친수성으로 개질하여 물에 대한 단백질의 용해도를 증가시키고 그 구조를 안정화시킨다. 이를 위해 기존에 자주 사용되는 전통적인 양쪽성 물질들은 점점 그 한계를 드러냄으로써 새로운 종류의 양쪽성물질 개발이 절실하게 요구된다. 

 
  이와 같이 막단백질 연구에 있어 양쪽성 물질이 핵심적 역할을 하기 때문에 수십 년간 세계 많은 연구자들이 창의적인 아이디어로 다수의 양쪽성 물질들을 개발해 왔지만 새로운 막단백질 구조 규명에 활용된 성공적인 사례가 거의 없는 실정이다. 본 연구팀은 이번 연구를 통해 아주 간단한 분자설계를 통해 단백질 구조 규명에 획기적으로 기여할 수 있는 새로운 양쪽성 물질을 개발하였고 세계적인 막단백질 연구자들과의 공동연구를 통해 다양한 막단백질의 구조를 규명하는데 성공하였다.  

2. 연구결과

  본 연구에서는 glucose-neopentyl glycol (GNG) 기본 골격을 바탕으로 탄수화물인 말토오즈 (maltose)를 친수성기로 도입하고 다양한 알킬기를 소수성기로 도입하여 4개의 GNG 양쪽성 물질을 설계 및 합성하였다. 이렇게 제조한 GNG 물질은 수용액에서 임계마이셀농도와 마이셀의 크기를 측정하여 기본적인 물성을 분석하였다.

  본 연구에서는 개발한 물질을 1) 구조적으로 다양한 막단백질을 얼마나 효율적으로 세포막에서 추출하는지 그리고 2) 수용액에서 얼마나 효과적으로 그 구조를 안정화하는지에 대한 평가를 하였다. 본 연구에서는 박테리아의 광합성 어셈블리 (photosynthetic superassembly),  루이신 수송단백질 (Leucine transporter), 세린 가수분해효소(serine protease)인 GlpG를 포함하여 총 5개의 막단백질에 대한 평가가 이루어졌고 이 평가에서 GNG  양쪽성 분자는 모든 단백질의 경우에 우수성을 보여주었다.

  주목할 만한 사실은 형성된 막단백질/GNG 복합체의 크기가 전통적인 물질의 그것과 비교했을 때 상대적으로 작다는 것을 크기배제크로마토그래피(size exclusion chromatography)를 통해서 확인할 수 있었다. 크기가 작은 복합체가 막단백질의 결정화에 매우 유리하게 작용하는 것으로 알려져 있다. 실제로 지난해 여름에 핀란드의 한 그룹에서 GNG 물질 중 하나인 GNG-3를 활용하여 나트륨 수송 단백질 (Sodium-pumping pyrophosphatase)의 구조를 규명하여 사이언스지에 게재하였고 미국 일리노이 대학의 교수와의 공동연구에서 아세테이트 수송단백질의 경우에도 비교적 해상도가 높은 단백질 결정을 얻을 수 있었다. 이와 같은 성공적인 단백질 결정화는 GNG 양쪽성 물질이 막단백질의 구조를 안정화하는 동시에 막단백질과 작은 복합체를 형성할 수 있기 때문이다.  

3. 기대효과

  본 연구에서 개발한 GNG 양쪽성 물질은 다수의 막단백질의 추출과 구조 안정화에 측면에서 우수성을 지니고 있고 막단백질과 결합했을 때 그 복합체의 크기가 작음을  보여주었다.  이와 같은 GNG 물질의 특성은 전통적인 물질의 한계를 극복한 것으로써 막단백질 결정 구조를 규명하는데 아주 중요하게 활용될 것임을 시사한다.
 

용   어   설   명

1. 양쪽성 화합물 (amphiphile)
○ 물과 친한 친수성부분과 오일과 친한 소수성 부분을 분자내에 동시에 가지고 있는 화합물 
 
2. 막단백질 (Membrane Protein)
○ 세포막에 존재하는 단백질로 다양한 호르몬이나 신경전달물질과 결합하여 외부 신호를 세포내로 전달하거나 다양한 영양분이나 이온을 수송하는 역할을 한다.
 
3. MNG 양쪽성 물질 (MNG amphiphile)
○ 2010년말 본 연구자가 개발한 양쪽성 물질로 네이처 자매지인 네이처 메소드 (Nature Methods)에 게재된 바 있다. 새로 개발된 물질 중에 가장 특성이 우수한 물질로 알려져 있고 전통적인 물질보다 특성이 우수해 이를 대체할 수 있을 것으로 학계는 보고 있다.

4. 임계마이셀 농도 (critical micelle concentration; CMC)
○ 양쪽성 물질이 특정 농도 이상이 되면 마이셀이라 불리는 자가조립구조를 형성하는데 이 구조를 형성하기 시작하는 농도를 지칭한다. 이 마이셀이 실제로 막단백질과 결합하는 단위라고 볼 수 있다.
 
5. G-단백질 연결 수용체 (G-protein coupled receptor; GPCR)
○ 인간의 몸에 800개 이상이 존재하며 현재 개발되는 신약의 40% 이상이 이 막단백질을 타겟으로 하고 있어 의약적으로 매우 중요하다. 다양한 호르몬, 신경전달물질, 신호물질과 결합하여 오감을 감지하는 센서로 알려져 있고 거의 모든 질병이 직간접적으로 이 단백질과 연관되어 있다. 이 단백질의 발견, 기능과 구조 규명이 2012년 노벨화합상의 주요 테마였다.

사   진   설   명

그림 1. 케미컬 커뮤니케이션 표지 이미지

그림 2. GNG 양쪽성 물질의 화학구조 – 구조가 간단하지만 특성이 매우 뛰어남

그림 3. 인지질 이중층으로 구성된 세포막에 막단백질이 끼어 있는 모습