4세대 XFEL 가속기를 이용한 단백질 구조연구 동향

한국과학기술원 이지오 교수

1. 개요
최근 10 년간 구조생물학 분야에서 두 가지 새로운 연구 도구가 개발되면서 혁명적인 변화가 이루어지고 있다. 전자현미경을 이용한 단일입자분석 (single particle analysis) 방법을 이용하면 결정화가 되지 않는 단백질의 구조를 규명할 수 있으며, 4세대 가속기를 이용하면 나노미터 크기의 작은 결정을 이용하여서도 단백질 구조를 규명할 수 있다 (그림 1). X-ray 결정학을 이용한 구조생물학은 1960년대 헤모글로빈/미오글로빈 구조, DNA 이중 나선구조 연구에서 시작되었다. 이러한 연구는 완전히 새로운 생물학을 만들어 내었으며, 분자생물학이라는 현대 생물학이 비로소 시작될 수 있었다. 이후 60년간 x-ray 구조생물학은 비약적인 발전을 거듭하였으며, 현재 PDB 데이터베이스에는 13 만개의 구조가 등록되어있고, 대략 20번 이상의 노벨상이 이 분야에만 수여되었다. 하지만 x-ray 구조생물학의 기본 원리와 연구방법에 근본적인 변화라고 할 수 있는 것은 1960년 이후로 거의 없었으며, 인간 단백질의 90%는 여전히 고해상도 입체구조가 알려져 있지 않다. 이러한 문제는 특히 세포막 단백질이나 대형 단백질 구조체 분야에서는 더욱 심각한 문제로 남아있다. 또한, 현재까지 거의 모든 구조생물학연구는 정지되어있는 단백질 구조규명에 집중되어 있었다. 하지만, 단백질은 능동적인 구조변화를 항상 하고 있으며, 이러한 구조변화는 단백질의 활성이나, 조절에 핵심적인 역할을 하고 있다. 따라서, 정지되어 있는 단백질 구조만으로는 단백질의 생물학적인 특성을 이해하는 데에 한계가 있을 수밖에 없다. 최근 우리나라를 비롯한 각국에서 제 4세대 방사광 가속기가 완공되면서 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운 연구방법들이 활발하게 개발되고 있다.