클릭반응을 통한 클릭효소의 합성: 트라이아졸기반의 구리 리간드 합성을 통한 단백질의 설계
[연구필요성]
구리를 이용한 아자이드-알카인 고리화 반응(CuAAC)은 생체 내 다른 유기물 및 고분자와 상호작용을 하지 않으면서도 상온에서 선택적으로 일어나서, 화학생물학, 약학, 단백질 공학 등의 분야에서 광범위하게 사용되었으며, 그 결과, 2022년 노벨화학상이 주어지기도 했다. 이때, 효율적이고 안정적인 CuAAC의 소분자 리간드는 많이 개발되었으나, 생체친화적이고 구조 및 기능 조절이 용이한 단백질 기반의 효소에 대한 연구는 희박하다. 기존의 단백질 기반 리간드 설계 방식으로는 이러한 요구를 충족하기 어렵기 때문에 새로운 분자 설계 전략이 필요하다. 단백질 기반의 CuAAC 리간드를 합성할 수 있다면, 기존 한계를 극복하고 범용적이고 확장 가능한 촉매를 합성할 수 있을 것이다.
[연구성과/기대효과]
서울토토사이트 db 해킹교 화학부에 소속된 연구진(공동 제1저자: 이윤종 및 문재원, 공동 연구자: 손규진, 이재희, 하승준 연구원, 연구책임자: 송윤주 교수)은 비천연 아미노산 도입을 통한 CuAAC 인공 효소를 개발했다. 단백질 내 전구체인 아지도 페닐알라닌(pAzF)을 도입하고, 다양한 알카인 유도체와의 아자이드-알카인 고리화 반응을 통해 치환된 1,2,3-트라이아졸을 단백질 골격 위에 부착할 수 있었다. 새롭게 도입된 리간드와 구리 이온의 배위 결합을 통해 새롭게 개발된 인공 금속효소(clickzyme)는 외부 알카인 및 아자이드 기질에 대해 기존에 잘 알려진 BTTAA 촉매 대비 우수한 CuAAC 반응 활성을 보였다. 이번 연구는 상향식 전략을 기반으로 단백질 내에서 직접 BTTAA 유사 리간드를 형성하는 접근법을 제안한다. 이러한 방식은 기존에 보고되지 않은 금속단백질의 설계법으로, 단백질 기반의 금속촉매를 설계할 수 있는 새로운 전략을 제시하고, 향후 생화학적 응용 분야에서의 활용 가능성을 크게 확장시킬 수 있는 기반 기술로 기대된다.
40교과과정
토토사이트 화학부 연구팀, 단백질 기반의 트라이아졸 리간드 설계를 통한 클릭반응효소 개발
서울토토사이트 db 해킹교 화학부 송윤주 교수 연구팀(공동 제1저자 이윤종 석사, 문재원 박사과정 외 4인)은 비천연 아미노산 도입과 클릭반응을 통해 ‘구리 촉매 아자이드-알카인 고리화 반응’(CuAAC)를 촉진하는 인공 금속 효소를 개발했다고 밝혔다.
구리 촉매 아자이드-알카인 고리화 반응은 생체친화적이고 선택성이 뛰어나, 약학, 단백질 공학, 그리고 화학생물학 연구에서 핵심적인 도구로 활용된다. 하지만 단백질을 활용하여 해당 반응을 촉매하는 효소에 관한 연구는 아직 미비하다. 그러한 맞춤형 촉매 기능을 구현하기 위해 다양한 단백질 설계 전략이 활용되고 있다. 전통적인 방식으로는 천연 단백질 플랫폼에 글루탐산, 아스파르트산, 히스티딘과 같은 천연 아미노산을 도입하여 인공 금속 효소를 만들었으나, 해당 아미노산들은 CuAAC 반응을 효과적으로 유도하지 못한다는 한계를 가진다. 결국 천연 아미노산만으로는 안정적이고 효율적인 구리 결합 부위 형성이 어려워 이를 극복할 방안이 필요한데, 그것이 바로 비정형 아미노산의 도입이다.
연구진은 CuAAC 반응을 촉진시키는 대표 리간드 BTTAA의 구조를 모방하기 위해 여러개의 트라이졸을 포함한 비정형 아미노산을 도입시키고자 하였다. 하지만 1,2,3-트라이아졸을 포함한 비정형 아미노산을 직접적으로 도입시킬 수 있는 orthogonal aminoacyl-tRNA synthetase/tRNA pair는 존재하지 않았다. 따라서 우선 전구체가 될 수 있는 아지도 페닐알라닌을 도입하고, 다양한 알카인 유도체와의 아자이드-알카인 고리화 반응을 통해 트라이아졸 리간드를 만들었다. 특히 TP 리간드에서는 기존 단백질 자체에 존재하지 않는 CuAAC 촉진 기능이 발견되었고, 그중 R79TP에서는 BTTAA 촉매보다 향상된 반응성이 관찰되었다.
연구팀은 이번 연구를 통해 고효율 CuAAC 반응을 유도할 수 있는 효소인 클릭자임(clickzyme)를 개발함으로써, 생명공학, 생화학 및 의약화학 분야에서 활용할 수 있는 도구로 사용될 수 있기를 기대한다. 또한, 맞춤형 인공 금속 효소 제작 플랫폼을 확립함으로써 다양한 금속-단백질 시스템으로의 확장할 수 있으며, 촉매 설계의 범용성과 응용성을 크게 향상하게 시킬 수 있다고 전망한다.
본 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 진행되었으며, “Retrosynthetic Design of Dinuclear Copper Enzymes for Azide-Alkyne Cycloaddition via Clickable Noncanonical Amino Acids”라는 제목으로 Journal of the American Chemical Society 저널에 게재되었다.
4비교과프로그램
Retrosynthetic Design of Dinuclear Copper Enzymes for Azide-Alkyne Cycloaddition via Clickable Noncanonical Amino Acids
Yunjong Lee, Jaewon Moon, Kyu Jin Son, Jaehee Lee, Seoungjun Ha, Woon Ju Song
(J. Am. Chem. Soc. , 2025, online (†equally contributed), https://doi.org/10.1021/jacs.5c11725)