1주기 전이금속이온과 결합할 수 있는 단백질 설계법 개발
[연구필요성]
자연계에서 발견되는 단백질의 약 30%, 효소의 60%는 하나 이상의 금속이온을 가지고 있다. 따라서 금속단백질 및 금속효소가 가지는 고유한 구조 및 반응성, 진화과정을 조절하고, 인공 금속단백질을 합성, 이용하기 위해서는 금속이온과 단백질의 서열 사이의 상호작용이 만들어지는 과정을 이해하는 것이 필요하다.
[연구성과/기대효과]
서울레드벨벳 토토교 화학부에 소속된 연구진인 제1저자 정우재, 하승준 및 송윤주 교수는 금속이온과의 선택적인 결합 자리를 설계에 사용할 수 있는 인실리코 방법을 개발하였다. 그 결과, 다양한 단백질에 적용하여, 전이금속이온과의 배위결합 도입을 통한 새로운 금속단백질의 자가조립, 금속단백질의 합성, 금속효소의 설계 등이 가능할 것이다.
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서울레드벨벳 토토교 연구팀, 금속단백질을 정확하고 쉽게 설계할 수 있는 인실리코 단백질 설계법 개발을 통한 다양한 인공 금속단백질의 합성
다양한 금속이온은 단백질이라는 거대 리간드에 적절히 결합하게 되면, 단백질의 구조를 안정화하고, 전자 전달, 촉매 반응 등과 같은 중요한 화학반응을 촉진할 수 있다. 따라서 생명의 역사 속에서 금속단백질은 금속이온과 단백질 사이의 선택적이고 강력하며, 정밀한 상호 화학결합을 통해 진화해 왔다. 새로운 금속단백질의 구조 및 반응성을 확장하려는 시도는 계속됐지만, 누구나 쉽고 정확하게 인공 금속단백질 설계할 방법이 없어, 오랜 연구 경험을 가진 사람만이 여러 번의 시행착오를 거쳐야 한다는 한계점이 있었다.
본 연구에서는 금속이온과 결합하는 데 필요한 단백질의 서열 변화를 예측하는 인실리코 도구인 Metal-Installer를 개발하였다. 지금까지 알려진 금속단백질 구조를 심층적으로 분석하여 찾아낸 4개의 기하학적 수치 및 범주를 활용하며, 확률 지도분석을 추가로 사용하여, 원하는 금속이온과 아미노산 조합에 대한 후보군을 더욱 세분화시키는 형태로 개발되었다. 그 후, 본 연구진은 Metal-Installer를 이용하여, 서로 관련성이 없는 두 개의 단백질에 적용, 아연, 망간, 철 또는 구리이 선택적으로 결합한 13개의 인공 단핵 및 이핵금속단백질을 합성하였다, 금속단백질의 X선-결정 구조와 분광학적 특징을 통해 Metal-Installer가 예측한 금속이온이 성공적으로 도입됨을 밝혀냈다. 또한 생화학적 특성과 촉매 반응성 등을 측정, 예측과 거의 일치하는 인공 금속단백질의 반응성을 확인할 수 있었다.
따라서, Metal-Installer는 다양한 단백질, 금속 원소, 리간드 조합, 구조 등에 폭넓게 적용할 수 있으며, 인공 금속단백질의 정확하고 광범위한 설계를 가능하게 해주었다. 단백질 구조 예측 도구가 단백질 연구의 혁신을 불러일으켰듯, 본 연구진은 Metal-Installer 도구를 통해 금속단백질 연구의 진입 장벽은 낮추고 활용 범위는 확장되길 기대하고 있다.
본 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 진행되었으며, “Accurate computational design of artificial metalloproteins using Metal-Installer”라는 제목으로 Chem 저널에 게재되었다.
[연구결과]
Accurate computational design of artificial metalloproteins using Metal-Installer
Woo Jae Jeong, Seoungjun Ha, Woon Ju Song
(4비교과프로그램, https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(25)00234-7)