KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2011-12-02
가장 기본적인 것만 남긴 구조에도 불구하고, 천연 효소의 촉매 기능에 접근한 합성 금속 단백질(metalloprotein)이 미국 화학자들의 팀에 의해서 개발되었다. 그 컴퓨터로 디자인된 탄산 탈수 효소(carbonic anhydrase) 모방체는 앤아버 미시건대(University of Michigan in Ann Arbor)의 Vincent Pecoraro와 동료들의 연구결과이다.
Pecoraro의 인공 효소는 언젠가 대기로부터 이산화탄소를 격리하는데 또한 역할을 할지도 모르는, 생물학적으로 중요한 과정인, 이산화탄소와 물이 중탄산염으로 변환하는 것을 촉매한다. 아연을 기반으로하는 활성 부위를 가진 세 가닥으로 된 ‘이중 나선(coiled coil)’ 단백질로 구성된?그 모방체는 천연 효소보다 이 반응을 촉매하는데 겨우 500배 덜 효율적인데, 이 결과는 이전의 가장 좋은 합성 탄산 탈수효소보다 70배 더 낫다.
그 인공 효소가 전이 상태를 안정화하고 양자 전달을 도울 수 있는 천연 효소들의 외부의 ‘2차적인 구’ 구조가 없음에도 불구하고 이러한 성능이 나왔다. ‘우리는 이 수준의 촉매 활성에 기쁘게 놀랐다. 그 연구는 금속이 수용액에서 소수성 환경에 둘러싸여 있으면, 2차적인 구 효과를 고안하지 않고도 상당한 활성을 이루어낼 수 있다는 것을 보여준다.’고 Pecoraro가 말했다.
비록 그 금속단백질이 인공 효소 세계로의 Pecoraro와 그의 연구진의 첫번째 시도였지만, 그것은 이중 나선 단백질들이 금속을 결합하는 방식에 대한 수 년 간의 연구를 뒤따랐다. 그 연구자들은 선택적으로 두 가지 별도의 금속들과 결합할 단백질을 생산하기 위해서 de novo 디자인을 사용해서, 이 경험을 잘 활용했다. 그 단백질의 한 쪽 끝에는 그 단백질의 소수성 내부 안에 감춰진 아연 활성 부위가 있는 반면, 다른 끝에서는 수은 기가 높은 pH에서 그 구조를 안정화시키는 것을 돕는다.
‘우리의 처음 관심은 정말로 이런 종류의 디자인을 증명해보이기 위한 원리 증명으로서 였다?그러나 이제 나는 이 연구를 여러 번 발표했고, 많은 사람들이 이산화탄소 격리의 가능한 방법으로서, 그리고 암 전이에서 탄산 탈수 효소 활성을 이해하기 위한 수단으로서 그것에 관심을 가지게 되었다.’고 Pecoraro가 말했다.
그 연구는 효소 디자인을 위해 중요한 발전이라고 캔버라(Canberra)에 있는 호주국립대(Australian National University)에서 효소 디자인과 기능을 연구하고 있는, Colin Jackson이 말했다. 그러나, 우리는 여전히 천연 효소들의 효율성에 도달하기 위해서 갈 길이 남았다고 그는 덧붙였다. ‘그 효소는 효율적이다?작은 분자 촉매보다 훨씬 더 효율적이다?그러나 여전히 천연 효소의 활성으로부터 100-1000배 멀다. 특히 활성 부위 주변에서, 천연 효소들의 보다 정교한 구조가 아마도 이와 같이 고안된 효소들에서는 현재 없는 미묘한 속도 증가에 기여할 것이다.’
Pecoraro는 동의했다. ‘또 다른 100-500 배 활성을 얻는?그 성질들을 개선하는 열쇠는 명확히 2차적인 구나 더 긴 효과의 결과이다. 이들 효과들의 일부를 얻기 위해서 그 효소의 고안을 개량하는 것이 그 프로젝트에서 다음 단계들 중의 하나이다. 우리는 탄산 탈수 효소의 활성을 더 밀접하게 모방하기 위해서 수소 결합들과 물 채널들을 통합하기 위해서 우리의 디자인을 변형하는 것에 애쓰고 있다.’고 그는 말했다.
[그림] 2차적인 구형 구조를 제거한 효소의 활성 부위
[참고 원문] M. L. Zastrow et al, Nat. Chem, 2011, doi 10.1038/NCHEM.1201
