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KAIST는 생명과학과 김학성 교수와 배진호 박사팀이 거대 (초분자) 단백질을 레고 블록 쌓듯 조립할 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. 이 방법으로 단백질 구조체의 크기 및 작용기 수를 원하는 대로 조절할 수 있고 메가 달톤(dalton) 크기의 대칭형 거대 단백질 구조체를 조립할 수 있다. 거대 단백질 구조체는 효율적인 약물 전달, 다양한 백신 개발, 그리고 질병 진단에 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구 성과는 국제 저명 학술지인 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science) (IF: 16.806)에 2021년 11월 1일 字 온라인 발표됐다. (논문명: Dendrimer-like supramolecular assembly of proteins with a tunable size and valency through stepwise iterative growth)

자연계에는 매우 다양한 특성과 기능을 갖는 단백질이 존재하며 생명현상을 유지하는데 핵심 역할을 한다. 이러한 단백질 중에는 단량체가 큰 구조체 형태로 조립됐을 때만 정상적 기능을 수행하거나, 어떤 경우에는 조립된 경우가 단량체와 완전히 다른 특성을 나타내며, 심지어는 심각한 질병을 유발하는 경우도 많다.

예를 들어 바이러스의 껍질인 켑시드는 단백질 단량체가 조립(assembly)된 것이고, 치매는 아밀로이드 펩타이드나 타우(tau) 단백질이 파이브릴(fibril) 형태로 조립되면서 발생한다. 따라서, 거대(초분자) 단백질 구조체들의 조립 기작 이해는 단백질의 기능과 질병의 원인 규명 및 치료제 개발에 중요하다. 또한, 단백질 구조체는 뛰어난 생체 적합도 때문에 생명공학 및 의학 분야에서도 응용 가능성이 크다.

현재 많은 연구 그룹에서 자연계에 존재하는 단백질 구조체들의 조립 과정을 모방해 새로운 기능의 단백질 구조체 개발에 많은 연구를 진행하고 있다. 그러나 단백질의 구조적 다양성, 상이한 특성 및 큰 분자량 때문에 원하는 구조체를 자유자재로 조립하는 것은 아직도 어려운 과제로 남아 있다.

김학성 교수 연구팀은 두 종류의 빌딩(building) 블록 단백질을 코어(core) 단백질에 순차적으로 교대로 결합시킴으로써 간편하게 3차원 구조의 대칭형 거대 단백질 구조체를 조립하는 방법을 개발했다. 즉, 서로 특이적으로 반응하는 두 쌍의 단백질과 리건드(P1/L1 과 P2/L2)를 이용해 코어(core) 단백질에 두 종류의 빌딩(building) 블록을 순차적, 반복적으로 결합함으로써 크기와 작용 기작 수를 조절하면서 메가 달톤 (Mega Dalton) 크기를 갖는 단백질 구조체를 쉽게 조립하였다.

개발된 구조체는 다양한 분야에 응용 가능하며 하나의 예로서, 이번 연구에서는 단백질 구조체에 박테리아 독소를 결합해 암세포 내로 고효율로 전달할 수 있었고, 결과적으로 암세포를 효과적으로 사멸했다. 구조체 단백질의 특징인 다가 효과(avidity effect)로 인해 암 표적에 대한 결합력이 약 1,000배 이상 증가돼 암세포 사멸 효과가 획기적으로 증대됐고 이러한 특성은 백신 개발 및 질병 진단에도 응용될 수 있다.

제1 저자인 배진호 박사는 "이번 연구에서 개발된 거대(초분자) 단백질 구조체 조립 기술은 향후, 약물 전달, 백신 개발, 질병 진단 및 바이오센서 등을 포함한 광범위한 분야에서 새로운 플랫폼 기술로 활용될 수 있을 것ˮ이라고 말했다.

이번 연구는 한국 연구 재단의 중견 연구과제 (NRF-2021R1A2C201421811) 지원을 받아 수행됐다.

논문링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202102991

□ 연구개요

1. 연구 배경

자연계에는 매우 다양한 특성과 기능을 갖는 단백질이 존재하며 생명현상을 유지하는데 핵심 역할을 한다. 이러한 단백질 중에는 단량체가 큰 구조체로 조립 되었을 때만 정상적 기능을 수행하거나, 단량체와는 완전히 다른 특성을 나타내기도 하며, 심각한 질병을 유발하는 경우도 많다. 따라서, 거대 (초 분자) 단백질 구조체들의 조립 기작 이해는 단백질의 기능과 질병의 원인 규명 및 치료제 개발에 중요하다. 또한, 단백질 구조체는 뛰어난 생체 적합도 때문에 생명공학 및 의학분야에서도 응용 가능성이 높다. 현재 많은 연구 그룹에서 자연계에 존재하는 단백질 구조체들의 조립 과정을 모방하여 새로운 기능의 단백질 구조체 개발에 많은 연구를 진행하고 있다. 주로 나선형 번들 (bundle) 상호 작용, 펩타이드 리간드 상호 작용, 이황화 결합 형성, 화학적 결합, 금속 이온 상호 작용, 자기 결합 단백질 융합과 컴퓨터 설계를 통한 방법 등이 시도되었다. 그러나, 단백질의 구조적 다양성, 상이한 특성 및 큰 분자량 때문에 원하는 구조체를 자유자재로 조립하는 것은 아직도 어려운 과제로 남아 있다.

2. 연구 내용

두 종류의 building 블록 단백질을 core 단백질에 순차적으로 교대로 결합시킴으로써 간편하게 3 차원 구조의 대칭형 거대 단백질 구조체를 조립할 수 있는 방법을 개발하였다. 즉, 서로 특이적으로 반응하는 두 쌍의 단백질과 리건드 (P1/L1 과 P2/L2)를 이용하여 core 단백질에 두 종류의 building 블록을 순차적, 반복적으로 결합시킴으로써 크기와 작용 기작 수를 조절하면서 메가 Dalton 크기를 갖는 단백질 구조체를 용이하게 조립할 수 있다. 구체적으로, 크기가 27 kDa인 작은 core 단백질로부터 시작하여 총 4번의 조립 단계를 거쳐 최종적으로 959 kDa의 크기를 갖는 거대 단백질 구조체를 제작하였으며 조립 단계를 증가시키면 보다 큰 단백질 구조체의 제작이 가능하다. 또한, 각 조립 단계마다 단백질 구조체의 결합가가 2의 배수로 증가하여 구조체의 결합가(Valency) 개수를 쉽게 조절할 수 있고, 다양한 단백질을 용이하게 결합시킬 수 있다.

암 표적인 표피생장인자수용체 (EGFR)에 특이적인 단백질을 단백질 구조체에 결합한 경우, 구조체 단백질의 특징인 다가 효과 (avidity effect)로 인해 EGFR에 대한 결합력이 단량체 보다 무려 1,000배 이상 증가하였다. 이러한 결합력 증대를 통한 효율적 세포 내 단백질 전달을 위해 박테리아 독소 전달 도메인 (translocation domain)과 녹색형광단백질 및 식물 유래 독소 단백질인 ‘젤로닌’을 구조체에 결합한 경우 세포 내 단백질 전달이 크게 증대되었으며 이로 인한 획기적 암 세포 사멸 효과를 확인 하였다.

3. 기대 효과

개발된 거대 단백질 구조체 조립 방법은 자연계에 존재하는 다양한 구조체들의 조립 및 작용 기작을 이해하는데 기여할 것이다. 또한, 단백질 구조체는 크기와 avidity effect를 용이하게 조절할 수 있고 다양한 단백질 cargo로 기능화할 수 있으며 생체 적합도가 높은 단백질로만 구성되어 있다. 따라서, 거대 단백질 구조체 조립 기술은 향후, 약물 전달, 백신 개발, 질병 진단 및 바이오센서 등을 포함한 광범위한 분야에서 플랫폼 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.