국내 연구진이 막단백질의 구조가 변하는 속도를 세계에서 처음으로 측정했다. 단백질의 구조는 다양한 질병과 연관이 깊은 만큼 의약품 개발에 이번 연구를 활용할 수 있을 전망이다.
민두영 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수가 이끄는 연구진은 막단백질이 구조를 만드는 데 걸리는 최소 시간인 '제한속도'를 측정하는 데 성공했다고 20일 밝혔다.
세포막과 세포 소기관의 막에 있는 단백질인 막단백질(membrane protein)은 세포 사이의 신호를 전달하고 면역 반응을 유발하는 데 중요한 역할을 한다. 이런 특징 때문에 의약품 개발에도 막단백질을 주로 활용한다. 현재 개발된 의약품의 60% 가량이 막단백질을 표적으로 하고 있다.
일반적인 수용성 단백질은 최대 1μs(마이크로초·100만분의 1초)의 제한속도를 갖는다고 알려졌다. 그러나 막단백질의 제한 속도는 아직 밝혀지지 않았다. 제한속도를 측정하려면 막단백질의 구조가 빠르게 변하는 단계인 '전이(transition)' 현상을 포착해야 하지만, 전이 현상이 매우 드물게 일어나고 아주 작은 힘에도 영향을 받아 변화를 측정하기는 어려운 상황이다.
UNIST 연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 막단백질의 구조 변화를 긴 시간 동안 관측할 수 있는 '단일분자집게' 기술을 활용했다. 이 기술은 1개의 분자에 물리적인 힘을 가해 변화를 측정하는 방식으로 기존 측정 시스템보다 100배 이상의 안정성을 갖고 있다. 덕분에 오랜 시간 강한 힘으로 전이 현상을 측정할 수 있다.
연구진은 단일분자집게를 활용해 9시간 동안 막단백질의 전이 현상을 관찰했다. 이 시간 동안 1000번 이상의 전이 현상을 포착해 데이터를 분석했다.
분석 결과 막단백질을 구성하는 최소 단위인 나선헤어핀의 제한 속도는 약 20ms(밀리초·1000분의 1초)로 나타났다. 이 수치는 수용성 단백질보다 최대 2만배 느린 속도로, 단백질이 뭉치는 응집 현상이 막단백질에서 잘 일어나는 원인으로 작용할 수 있다고 연구진은 분석했다. 단백질은 응집되면서 기능을 잃고 질병을 일으키는데 일반적으로 막단백질에서 응집 현상이 더 잘 일어나는 것으로 알려졌다.
연구진은 막단백질이 세포막의 지질 사이에 끼어 있는 만큼 높은 점성이 나선형 구조 사이의 상호작용을 방해해 제한 속도가 느려지는 것으로 분석했다.
민 교수는 "구조변화의 전이 순간과 관련된 제한속도는 측정하기가 쉽지 않았지만, 이번 연구를 통해 막단백질 접힘의 제한속도를 최초로 규명했다"며 "이번 연구를 통해 막단백질 접힘과 상호작용을 이해하고, 막단백질을 표적으로 하는 약물개발에 중요한 기초 지식으로 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 '이라이프'에 지난달 30일 소개됐다.
참고자료
eLife, DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.85882