인공 단백질 나노구조체 최신 연구동향

한국과학기술원 이지오 교수

1. 개요
세포가 정상적인 기능을 수행하기 위해서는 매우 다양한 단백질 복합체가 이용되고 있다. 예를 들어 세포 기능의 핵심이 되는 전사, 복제, 번역, splicing, proteasome 기능은 모두 수십 ~ 수백 개의 단백질과 핵산이 복잡하고 다양한 복합체를 형성하여 핵심역할을 하고 있다 (그림 1). 생물학적인 시스템에서 단백질 복합체는 다음과 같은 이유로 중요하다. (1) 시스템의 효율성. 하나의 생체 대사경로에 참여하는 서브유닛이 모여 있으면, 중간 대사물이 확산될 필요가 없기 때문에 전체 시스템의 효율성이 높아진다. (2) 조절의 용이성. 하나의 생체 대사경로에 참여하는 단백질 서브유닛이 모여 있으면, 기능을 하는 서브유닛과 조절작용을 하는 서브유닛이 서로 상호작용을 할 수 있기 때문에 보다 효율적인 조절이 가능하다. (3) 다양한 기능유닛을 모아주는 플랫폼 역할. 세포내부의 필요에 따라 여러 서브유닛들이 모이게 되면, 기존의 기능과는 다른 기능을 수행할 수 있게 된다. 여러 서브유닛을 모아주는 플랫폼 단백질은 특히 고등 생명체에서 더욱 중요한 역할을 한다. (4) 세포의 모양이나 구조를 형성하는 역할. 세포의 모양과 움직임은 세포의 기능에서 중요한 역할을 하게 되는데 세포의 모양과 모양변화는 많은 수의 단백질이 모여서 복합체를 형성하면서 이루어진다. 또한, 바이러스의 외부 껍질은 24개나 60개의 단백질 서브유닛으로 이루어져 있다. 바이러스의 단백질 껍질은 내부의 유전물질을 보호하며, 세포막에 있는 수용체와 결합하는 역할을 한다.

최근 세포에 있는 단백질 복합체와 유사한 인공 단백질 복합체를 만들려고 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 연구는 크게 두 개의 흐름으로 분류해 볼 수 있다. 첫째는 단백질이나 핵산 서브유닛들을 구조적인 유동성이 큰 링커로 연결하여 대형 복합체를 만드는 연구이다. 이렇게 만들어진 복합체는 일정한 구조를 가지지 못하고 다양한 구조가 섞여있는 상태가 되며, 각각의 서브유닛과는 다른 새로운 기능적 특성을 가지는 경우가 많다. 이와 같은 stochastic protein complex 는 여러 분야에서 응용성이 연구되고 있다. 둘째는 단백질 서브유닛을 미리 예측이 가능한 정확한 구조를 가지도록 디자인하는 연구이다. 정확한 구조를 성공적으로 디자인하는 데에는 매우 정교한 설계가 필요하기 때문에 최근까지도 성공한 예가 많지 않았다. 하지만, 최근에 단백질 구조와 움직임에 대한 보다 정확한 계산이 가능해지면서, 성공적인 디자인이 발표되기 시작하고 있다. 예측가능한 단백질 나노구조를 이용하면 자연계에는 존재하지 않고, 응용성이 높은 새로운 단백질 복합체 생산이 가능해 질 것으로 기대되고 있다.
본 보고서에서는 대표적인 최근 사례들을 중심으로 인공단백질 구조체 개발 연구동향에 대해 고찰해 보고자 한다.

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