비천연 아미노산의 유전적 도입과 응용

서강대학교 이현수 교수

1. 서론
단백질은 광합성에서부터 세포 내의 신호전달과 면역 반응에 이르기까지 생명체 내의 거의 모든 과정에 관여한다. 이러한 단백질의 필수적인 역할을 고려할 때, 단백질의 구조와 기능 연구는 생명 현상의 이해와 응용에 매우 중요하다. 하지만 단백질을 구성하고 있는 아미노산들은 비교적 단순한 작용기 (functional group)들로 이루어져 있기 때문에 세포 내에 존재하는 단백질 자체만으로는 구조와 기능을 연구하는데 한계가 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해서 단백질 내에 존재하지 않는 작용기를 가지는 비천연 아미노산(unnatural amino acid, UAA)을 단백질 내에 도입하려는 노력이 진행되어 왔다. 이러한 UAA를 단백질에 도입하게 되면, 단백질의 구조와 기능 연구는 물론, 새로운 기능을 가지는 단백질을 합성할 수 있고, 나아가 새로운 기능을 수행하는 세포도 만드는 것이 가능할 수 있다. 여기서는 UAA를 유전적으로 도입하는 방법의 소개와 이를 이용한 최신 연구에 대해서 소개하고자 한다.

2. 비천연 아미노산의 유전적 도입법
2001년에 살아있는 세포 내에서 특정 단백질의 원하는 위치에 UAA를 도입하는 방법이 최초로 개발되었다[1]. 이 방법은 세포 내의 단백질 합성 시스템을 사용하기 때문에, 이 방법을 적용하기 위해서는 세포 내의 단백질 합성 시스템에 몇 가지 추가적인 요소를 더해 주어야 한다[2,3]. 먼저 20개의 아미노산 각각에 대하여 할당된 코돈(codon)이 존재하듯이 UAA를 위한 코돈이 필요하다. 마찬가지로 각각의 20개의 아미노산을 위한 aminoacyl-tRNA (aatRNA)와 aaRS가 있듯이 UAA를 위한 aatRNA와 aaRS도 필요하다. 그리고 중요한 것은 이 추가적인 요소들이 세포 내에서의 단백질 합성 시스템에 영향을 주지 않아야 한다는 점이다. 즉 UAA를 위한 aatRNA는 세포 내에 존재하는 다른 aaRS들에 의해서 아실화가 되어서는 안 되고, UAA를 위한 aaRS는 세포 내에 존재하는 다른 aatRNA에 아실화를 시키면 안 되며, UAA를 위한 tRNA만을 인지하여 아실화를 시켜야 한다 (orthogonal aatRNA/aaRS pair). 그리고 이 aaRS는 UAA만을 인지하여 그에 해당되는 aatRNA에 아실화를 시켜야 하고, 세포 내에 존재하는 20개의 아미노산들은 아실화시켜서는 안 된다 (그림1). 마지막으로 UAA는 세포 내에서 단백질 합성에 사용될 수 있도록 안정해야하고, 세포 내로 잘 흡수가 되어야 한다.

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