경북대학교 “구조분자생물학 연구실” (김경진 교수)

연구실 개요

구조분자생물학 연구실 (Structural & Molecular Biology Laboratory)에서는 X선 결정학 기술을 이용하여 단백질의 3차원 입체 구조를 규명하고, 이를 기반으로 효소 특성 분석 및 개량 연구를 진행하고 있다 (그림 1). 현재는 Polyethylene terephthalate (PET), Polyethylene (PE) 등의 플라스틱 분해, lignocellulose biomass 분해, 바이오 플라스틱 생합성, 바이오 연료 생합성, 아미노산 생산, THF cycle을 이용한 C1 가스의 효율적 전환 등에 관련된 효소 연구에 집중하고 있으며, 구조생물학과 효소공학 및 분자생화학을 접목하여 좋은 연구 성과를 도출해내고 있다. 본 연구실은 단백질 입체 구조 규명을 통한 생명 현상 이해 및 효율적인 산업화 적용기술 개발을 목표로 하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. 비생분해성 플라스틱의 생물학적 분해 연구

플라스틱은 뛰어난 물성 및 편리성 때문에 우리 실생활에서 널리 사용되고 있지만, 자연적으로 쉽게 분해가 되지 않는다. 이는 심각한 환경오염 문제뿐만 아니라 미세플라스틱 등으로 인한 인체 건강 문제를 야기하고 있다. 본 연구실에서는 PET을 분해하는 미생물로 알려진 Ideonella sakaiensis 유래의 PETase와 MHETase의 입체구조를 규명하고, 이를 기반으로 효율적인 플라스틱 분해를 위한 다양한 효소 개량 연구를 활발히 진행하고 있다 (그림 2). 현재는 실험실 규모의 반응기를 설계 및 구축하여 산업화를 위한 스케일업 연구도 수행하고 있으며 (그림 3), PET 분해 연구로 쌓아온 노하우를 이용해 PE와 같은 다른 플라스틱 분해 연구 또한 진행 중이다.

2. 리그노셀룰로오스 바이오매스의 분해 연구

리그닌은 관다발 식물의 주요 구성 성분인 방향족 중합체로, 지구상에서 무시할 수 없는 자원이다. 리그닌 분해는 리그닌 퍼옥시다아제, 망간 퍼옥시다아제, 락카아제 등의 산화 효소를 이용하는 경로가 알려져 있지만, 라디칼이 생성됨에 따라 효소가 손상되는 등의 문제가 있다. 이에 본 연구실은 새로운 리그닌 분해 효소를 찾고, 구조 기반 단백질 개량 연구를 통해 더 효율적인 효소를 만들어 내는 연구를 진행하고 있다 (그림 4).

3. 바이오 플라스틱 생합성 연구

플라스틱의 환경적인 문제 때문에 환경친화적이고 지속가능한 바이오 플라스틱을 만드는 것이 주목을 받고 있다. 그 중, 본 연구실은 많은 미생물들이 탄소 및 에너지 저장을 위해 사용하는 폴리하이드록시알카노에이트(Polyhydroxyalkanoates, PHAs)에 주목하고 있다. 가장 잘 알려져 있는 PHA 생합성 경로는 폴리하이드록시뷰티레이트(poly(3-hydroxybutyrate, PHB)를 만드는 합성 경로의 3가지 효소인 PhaA (acetyl-CoA acetyltransferase; β-ketothiolase), PhaB (acetoacetyl-CoA reductase), PhaC (PHA synthase)를 이용하는 경로이지만, 구조적 정보와 메커니즘이 구체적으로 밝혀져 있지 않다. 이에 본 연구실은 이들 효소에 대한 구조적인 연구를 통해 PHA 생합성 메커니즘을 밝히고, 후속 단백질 개량 연구를 통해 PHA를 효율적으로 생산하기 위한 연구를 진행하고 있다 (그림 5).

4. 바이오 연료 생합성 연구

화석연료의 부족 및 환경오염 문제로 인해 대체 연료의 필요성이 대두되고 있다. 그 중, n-뷰탄올은 높은 에너지 함량, 낮은 부식성, 물에 대한 낮은 용해도 등과 같은 다양한 장점이 있으며, 가솔린이나 디젤 연료와 쉽게 섞이는 특성을 가진다. Clostridia는 아세톤-뷰탄올-에탄올 (ABE) 발효 경로를 통해 바이오뷰탄올을 생산하는 주요 발효종으로 사용되고 있지만, 아직 생산량이 제한적이다. 이에 본 연구실에서는 n-뷰탄올 생합경 경로에 관여하는 핵심 효소들의 기능과 조절을 밝혀 헤테로 대사경로를 최적화하고, non-solventogenic 미생물로부터의 n-뷰탄올의 생산을 최대화하기 위해 구조 및 단백질 개량 연구를 진행하고 있다 (그림 6).

5. 아미노산 생산 연구

단백질은 생체에 필수적인 분자로, 20개의 아미노산을 단위체로 하여 구성된다. 20개의 아미노산 중, 필수 아미노산들은 세포 내에서 합성되지 않아 음식이나 보조제를 통해 섭취되어야 한다. 최근, 전 세계적으로 육류 소비량이 증가함에 따라 가축들의 빠른 성장을 위해 필수 아미노산을 제공하는 것이 중요하게 여겨지고 있다. 이에 따라, 현재 필수 아미노산의 산업적인 생산은 E. coli와 C. glutamicum의 발효로부터 이루어지고 있으며, 대사공학을 이용한 아미노산 생산성을 높이는 연구가 주를 이루고 있다. 본 연구실에서는 9개의 필수 아미노산 중, 라이신, 메티오닌, 발린 3가지에 집중하고 있으며, 구조 기반 단백질 개량을 통해 높은 아미노산 생산 효율을 가지는 새로운 균주를 개발하기 위한 연구를 진행하고 있다 (그림 7).

6. THF cycle을 이용한 C1 가스의 효율적 전환 연구

C1 가스는 지구온난화와 기후 변화의 문제를 일으키는 주요 온실가스이다. C1 가스를 줄임과 동시에 이를 이용하여 가치 있는 생산물을 만들기 위한 노력이 있었지만, C1 가스 및 C1 동화경로의 특성 때문에 전환율이 높지 않다. 반면, CO2는 비교적 쉽게 개미산으로 전환되는데, 이를 이용하여 개미산을 다른 물질로 전환시킴으로써 C1 가스를 간접적으로 전환시키는 연구가 진행되고 있다. 본 연구실에서는 다양한 균주 유래의 tetrahydrofolate (THF) cycle 관련 효소들에 대한 구조적 분석 및 개량 연구를 통해 C1 가스에서 유래된 개미산을 세포 내에서 유용한 산물인 아미노산으로 전환하는 연구를 하고 있다 (그림 8).

연구실 현황

구조분자생물학 연구실은 김경진 교수님의 지도 아래 연구교수 2명, 박사후 연구원 1명, 박사과정 8명, 석사과정 5명, 학부생 3명으로 총 19명의 실험실 멤버가 연구를 진행하고 있다. 2022년 6월 현재, SCI(E) 급 논문 100편 게재, 국내외 특허출원 14건 및 등록 26건, 기술이전 2건 등의 우수한 연구 실적을 올리고 있다. 김경진 교수님의 지도하에 국내외 효소 공학 연구의 선도 그룹으로 나아가고 있다.