전남대학교 “구조생화학 연구실” (김정선 교수)

연구실 개요

전남대학교 화학과 구조생화학연구실에서는 단백질의 3차원 구조 규명 및 구조분석을 중심으로 하는 연구를 수행하고 있다. 대표적인 연구주제인 고부가가치 구현을 위한 C1 가스 전환 바이오 촉매 개발 연구를 비롯하여, 유전자 제어 및 인지 분야에서는 외래 유전자와 고유 유전자를 구별하는 시스템에 대한 구조 생물학적 이해와 유전자 번역 후 변형 과정을 통하여 다양한 유전자의 발현을 조절하는 효소연구를 통한 질병 치료제 개발 연구를 수행하고 있다.
본 연구실에서 사용하는 주된 연구 기법은 연구 대상이 되는 단백질을 결정화하고, 결정의 엑스선 회절 패턴을 분석하여3차원 구조를 규명하고 분자동력학적으로 해석하는 것이다. 이를 위해서 목적 유전자를 대장균내에서 발현시키고, 고순도로 정제하고 다양한 침전제 조건에서 결정화하는 것이 포함된다. 생성된 결정내의 분자에 대한 정보를 X선 회절을 통하여 얻고, 위상차 정보를 구하여 3차원 구조를 확보한다. 3차원 구조를 해석하여, 목적 단백질의 기능과 3차원 구조 상의 상관관계를 예측하고 추가 실험을 수행하여 이를 검증하는 연구를 수행한다

C1 가스로부터 고부가가치 화합물을 직접 얻을 수 있는 바이오 촉매 개발 연구에서는 단백질의 3차원 구조 규명 및 기능 상의 상관관계 규명하고 이를 기반으로 야생형의 효소를 개량하는 연구를 포함하고 있다. 확보한 효소-활성부위의 구조적 정보를 토대로 야생형과는 다른 기질 특이성, 보다 높은 기질 친화력 및 활성을 가질 수 있도록 하는 돌연변이 효소를 확보함으로써, 고효율의 C1 가스 전환 바이오 촉매 개발을 최종목표로 설정하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. 유전자 인지 및 제어시스템

- 제한 효소를 이용한 선천적 유전자 인지 및 제어시스템

생명체에 공통적으로 존재하는 유전 정보인 DNA는 특정 위치의 염기에 메틸화 수식의 차이를 보이며, 원핵생명체는 이를 이용하여 외래 유전자와 고유 유전자를 구별하고 제어하는 제한 효소시스템을 가진다 (그림 2). 또한 침입하는 phage는 이를 극복할 수 있는 극복 체계를 가진다. 확보되는 3차원 구조 정보는 제한 효소와 DNA 사이의 상호작용에 대한 분자적 기반을 제공하여 신규 제한 효소를 개발할 수 있는 터전을 제공하여 유전자 재조합 분야의 발전에 기여할 수 있다.

- CRISPR/Cas system을 이용한 후천적 유전자 인지 및 제어시스템

원핵생명체의 외래 유전자 대항 Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPRs)은 박테리아가 침입한 바이러스의 DNA 일부를 자신의 유전체에 저장해 두었다가 동종의 바이러스가 다시 침입했을 때 그 정보를 꺼내어 바이러스의 유전자를 찾아 절단하는 원리이다 (그림 2). CRISPR 시스템에 연관된 다양한 단백질 (CRISPR-associated proteins; Cas proteins)의 3차원 구조를 원자 수준에서 규명하고, CRISPR에 의한 유전자 인지 및 제어의 분자 메커니즘을 규명하기 위한 연구를 하고 있다. DNA 서열 중 특정 부분을 인지하여 잘라내거나 특정 염기를 다른 염기로 치환할 수 있도록 프로그램화 할 수 있다는 점에서 다양한 유전공학에 적용될 수 있다.

- 유전자 전사 조절 시스템

히스톤 탈아세틸화 효소 (Histone deacetylase, HDACs)에 의한 히스톤의 아세틸화 수식 조절은 진핵 생물이 특정 유전자의 발현을 조절하는 주요 전략으로 사용하고 있다. 히스톤의 아세틸화 및 탈아세틸화의 불균형으로 특정 유전자가 비특이적으로 발현되면 피부, 폐, 뇌 등 다양한 부위에서 암과 같은 질병이 유발된다 (그림 3). 히스톤 탈아세틸화 효소의 기능을 제어할 수 있는 단백질과의 상관관계를 구조 생물학적으로 규명하고, 히스톤 탈아세틸화 효소 저해 물질 개발 연구를 진행 중이다.

2. C1 가스 전환 생촉매시스템 개발

본 연구실에서는 아세트알데히드(C2)를 아세토인(C4)으로 전환시키는 바이오 촉매를 발굴·개량하여, 일산화탄소(CO), 메탄(CH4) 등과 같은 C1 가스를 C2, C3 화합물로 단일단계 전환이 가능하게 하는 생촉매 시스템을 개발하는 연구를 이화여대 박진병교수님과 공동으로 진행하고있다 (그림 4). 연구를 통하여 확보한 개량된 효소 유전자를 미생물 내에 도입하여 저가의 C1 가스로부터 고가의 C2~C4 화합물로 전환시킬 수 있는 C1 가스 전환 최적 균주를 개발을 최종 목적으로 설정하고 있다.

I. C2-C2 결합 및 C1-C1 결합 효소를 발굴하여 C1 가스 전환 후보효소군 라이브러리를 구축하였다. 유사서열 및 유사 구조분석을 통하여, 포름알데히드(C1), 아세트알데히드(C2)를 기질로 C3, C4 생성물을 합성할 수 있는 효소 10여종을 선정하였으며, 이를 개량하여 촉매력이 향상된 생촉매를 개발하고 있다.

II. 연구대상 단백질에 대한 3차원 구조 정보를 확보하기 위하여, 수종의 단백젤을 결정화하였으며, 엑스선 회절 분석 정보를 분석하고, 위상차 정보를 확보하고 있다. 규명된 3차원 구조와 분자동력학(molecular dynamics simulation)을 이용하여 기질 특이성 및 기질 친화성에 변화를 줄 수 있는 구조적 위치를 선정하고, 이에 따른 다양한 돌연변이체 단백질을 설계하고 구축하고 있다. 이화여대 박진병 교수님과의 공동 연구를 통하여 야생형과 제작된 돌연변이체의 활성을 평가하고 있다.

연구실 현황

주요 연구장비

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  배양

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  분리정제

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  분석