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제목 단백질 작용원리 규명으로, 환경 유해물질 탐지 해법 찾았다 등록일 2020.06.18 15:01
글쓴이 에디스젠 조회 141
국내 연구진이 페놀류 환경유해물질 분해 촉진 단백질(감지 전사인자, DmpR; di-methyl phenol regulator)의 작용 원리와 3차원 구조를 규명하였다. 이는 페놀류 물질의 분해를 촉진하는 원리에 관한 최초 보고이며, 관련 연구를 통한 토양/수질 오염 탐지 및 단백질 공학 분야에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

한국생명공학연구원(생명연) 질환표적구조연구센터 우의전 박사팀, 합성생물학전문연구단 이승구 박사팀, 네덜란드 델프트공과대학교(Delft University of Technology) 공동 연구팀(교신저자: 우의전/주철민 박사, 제1저자: 박광현/김성철 박사)이 수행한 이번 연구는 한국생명공학연구원의 주요사업 지원으로 수행되었고,  ‘Nature communication’ 6월 1일자 온라인 판에 게재되었다.  
     (논문명 : Tetrameric architecture of an active phenol-bound form of the AAA+ transcriptional regulator DmpR)

현재, 산업 폐수에서 비롯된 유해성 화합물(페놀류)을 정화하기 위하여 슈도모나스 세균과 같은 미생물이 수질 정화법에 이용되고 있다. DmpR 단백질은 정화 미생물에 존재하는 페놀 분해 촉진 단백질(*전사인자)로 알려져 있으나, 기능적 중요성에도 불구하고 구조적, 분자적 활성 기작이 밝혀지지 않았다.
 * 전사인자: 타켓 유전자 근처의 DNA에 결합하여, 타겟 유전자를 키고 끄는 스위치 역할의 단백질

지난 20여 년간, DmpR은 페놀에 특이적으로 반응하는 바이오 센서 단백질로 개발되어 왔다. DmpR의 페놀 인식 구조 및 활성 원리 규명은 다양한 유해 물질 탐지 바이오센서 개발을 위해 필요성이 강조되고 있었다. 

합성생물학전문연구단 이승구 박사팀에서 개발되어 현재 다양한 미생물센서에 활용 중인 DmpR 연구를 토대로, 단일 분자 형광법(single-molecular photobleaching)과 엑스선 결정화(X-ray crystallography)를 통하여, DmpR의 분자적 수준의 전사 활성 원리를 분석 하였다.

단일 분자 형광법은 변화하는 단백질의 단일 분자를 추적하는 신기술로, 연구진은 다양한 전사 촉진 인자 변화에 의한 단백질 상태 변화를 추적 하였다. 그 결과 일반 상태에서 DmpR은 반응성이 없는 두 분자가 결합한 형태로 존재(이량체)하다가, 페놀 등 오염물질과 결합하면 4개의 분자가 모여있는 형태(사량체)로 변화하여, 오염물질 분해를 촉진시키는 활성화 상태로 변화함을 밝혔다.

질환표적구조연구센터 우의전 박사는“20여 년간 난제였던 페놀류인식 전사 촉진 시스템을 규명함으로서, 산업적으로 페놀 등 화학 오염물에 대해 특이적으로 반응하는 신규 바이오센서 제작의 이론적 토대를 제공하였고, 학문적으로는 신규 전사 시스템 규명이라는 성과를 얻었다”며“이러한 구조적 분석으로 페놀류뿐만 아니라 다양한 유해 물질 인식 재조합 DmpR 제작이 가능해져, 다양한 화학 오염물 진단에 응용이 가능할 것으로 예상한다.”고 말했다. 

연 구  결 과   개 요

연구배경
○ 대부분의 오염 물질은 제초제, 살충제 및 산업 폐수의 형태로 우리 환경에 도입된다. 페놀 같은 방향족 화합물은 이러한 오염 물질의 상당 부분을 차지하며, 이러한 독성 오염 물질을 부적절하게 처리하면 토양과 지하수가 심하게 오염 될 수 있다.
○ 슈도모나스 같은 미생물은 물에서 페놀을 정화하기 위해 오랫동안 사용되어 왔으며, 이러한 페놀 분해 미생물은 그 대사 경로와 관련한 연구가 진행되었다. 그 결과 환경 정화 미생물은 페놀 인식을 위해 DmpR 이라는 단백질을 이용한다는 사실이 밝혀졌고, 이러한 페놀 감지 특성을 이용하여 오염 물질을 탐지하는 바이오센서가 개발 되고 있다. 하지만 DmpR의 페놀 인식과 전사 활성화의 정확한 메커니즘은 20여 년간 풀리지 않은 숙제였다.  

연구내용
○ 한-네델란드 공동 연구팀은 Pseudomonas putida 종에서 DmpR의 페놀 인식 도메인을 분리 정제하여 페놀 인식 구조와 활성 상태 구조 변화를 규명하여 방향족 인식 전사 시스템의 원리를 규명하였다.
○ DmpR의 변화를 관찰하기 위하여, 연구진은 단일 분자 형광법(single-molecular photobleaching)을 이용하였다. 단일 분자 형광법은 변화하는 단백질의 단일 분자를 추적하는 신기술로 형광 DmpR 재조합 단백질을 이용하여 전사 촉진 인자에 의한 단백질 상태 변화의 분석이 가능하였다. 불활성 DmpR은 이량체로 존재하다가 페놀과 결합하여 사량체 상태로 변화되는 것이 확인되었다. 또한 활성 사량체 DmpR이 전사를 촉진하기 위해 sigma factor 54와 상호작용 함을 밝혀냈다.
○ DmpR의 페놀 인식 잔기와 활성 사량체 상태의 구조적 정보를 얻기 위하여 엑스선 결정화를 이용하였고 이를 위해 결정화에 최적화된 DmpR 재조합 단백질을 재설계 하였다. 고해상도의 구조 정보는 DmpR에 의한 리간드 인식 정보와 활성 사량체의 구조 정보를 제시 할 수 있었다. 구조 정보를 통해 향후 다양한 페놀류 유해 물질 인식 재조합 DmpR 제작이 가능해 졌으며, 이를 이용한 신규 바이오센서 제작이 가능하다.
○ 구조 정보를 통해 다양한 DmpR 돌연변이를 제작하여 전사 활성 시스템에서 요구되는 ATP 분해 활성을 분석한 결과, DmpR은 기존의 미생물 전사 시스템과는 다른  AAA+ 전사 활성 기작을 나타내었으며, 이러한 시스템의 활성은 DmpR의 사량체의 ATP 분해 활성에서 비롯됨을 보였다.
   ** AAA+ 전사 활성 시스템 : ATP 소모에 의해 전사가 활성화 되는 미생물 전사 시스템

연구성과의 의미
▶ 미지의 미생물 전사 시스템 규명
○ 본 연구에서 규명한 DmpR 단백질의 작동 원리는 페놀류 인식에 의한 AAA+ 전사 활성 시스템에 대한 최초의 보고이며 새로운 전사 활성 시스템 작용 원리를 제시 하였다는 점에서 의의가 있다. 
○ 또한, 지난 20여 년간 전 세계적으로 기능적으로만 유추된 활성 작용 원리를 구조적으로 제시하여 명확한 분자적 설명을 완성하였다는 측면에서 큰 학문적 성과가 있다.

▶ 신규 바이오 센서 제작 가능
○ DmpR은 구조가 규명되지 않아 그동안 기능 분석에 기반한 스크리닝 방법으로 바이오 센서가 제작 되었다. 구조와 활성 기작 규명으로 다양한 유해 물질 감지의 효과적인 센서 제작이 가능 할 것으로 예측되고 있다

출처: [BRIC Bio통신원] 단백질 작용원리 규명으로, 환경 유해물질 탐지 해법 찾았다 ( https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=318409 )

출처 :브릭